国内 “第四代半导体” 迎重大突破！

传感器技术 | 2023-03-19 14:07:38 阅读：1123

国内半导体产业再传好消息！近日西安邮电大学由电子工程学院管理的新型半导体器件与材料重点实验室陈海峰教授团队成功在8吋硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片，这一成果标志着西安邮电大学在超宽禁带半导体研究上取得重要进展。

据陈海峰教授介绍，氧化镓是一种超宽禁带半导体材料，具有优异的耐高压与日盲紫外光响应特性，在功率器件和光电领域应用潜力巨大。硅上氧化镓异质外延有利于硅电路与氧化镓电路的直接集成，同时拥有成本低和散热好等优势。

01.氧化镓技术连续取得突破相信很多人都了解以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料，但对氧化镓却少有所闻，氧化镓是“第四代半导体”的典型代表，凭借其高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特性，成功进入人们的视野。近两年来，我国在氧化镓的制备上连续取得突破性进展。今年2月28日，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。中国电科46所氧化镓团队从大尺寸氧化镓热场设计出发，成功构建了适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构，突破了6英寸氧化镓单晶生长技术，可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制，将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。2月27日，中国科学技术大学校微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台，分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。相关研究成果日前分别在线发表于《应用物理通信》《IEEE电子设备通信》上。去年12月，铭镓半导体完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，成为国内首个掌握第四代半导体氧化镓材料4英寸相单晶衬底生长技术的产业化公司。去年5月，浙大杭州科创中心首次采用新技术路线成功制备2英寸的氧化镓晶圆，而使用这种具有完全自主知识产权技术生产的2英寸氧化镓晶圆在国际上为首次。作为一种新型超宽禁带半导体材料，氧化镓在微电子与光电子领域均拥有广阔的应用前景，可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。为进一步推动氧化镓产业发展，科技部高新司甚至已于2017年便将其列入重点研发计划。此外，安徽、北京等省市也将氧化镓列为了重点研发对象。
02.能改变半导体行业的新技术？众所周知，以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，正凭借耐高温、抗高压、开关速度快、效率高、节能、寿命长等特点被国内外相关企业持续关注和布局。目前，宽禁带半导体发展势头正猛，“超禁带半导体”也悄然入局。氧化镓作为第四代半导体的代表，被视为“替代碳化硅和氮化镓”的新一代半导体材料。氧化镓是一种无机化合物，化学式为Ga2O3（三氧化二镓），是一种宽禁带半导体。氧化镓拥有超宽带隙（4.2-4.9eV）、超高临界击穿场强（8MV/cm）、超强透明导电性等优异物理性能。

作为对比，碳化硅和氮化镓的带隙为3.3eV，而硅则仅有1.1eV，远远达不到氧化镓的带隙，因此，这种新材料可以承受比SiC或GaN器件更高的工作电压，导通电阻也更低。再加上其能被广泛采用的天然衬底，不仅可以开发者可以轻易基于此开发出小型化，高效的大功率晶体管。而且可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗，是制造大功率半导体主要材料，能使半导体耐受更高电压及温度，因此在智能电网、轨道交通等领域有着广阔应用前景。此外，氧化镓薄膜对应的吸收波长为253nm，处在太阳光盲区（240-280 nm）波段中，因此是制备太阳光盲深紫外探测器的理想材料。因此，氧化镓在日盲紫外（200-300 nm波段）器件和超高功率（1-10 kW）电力电子器件方面有着无法取代的应用价值。

另一个角度看，氧化镓拥有更加易于制造的天然衬底，载流子浓度的控制以及固有的热稳定性。相关论文表示，用Si或Sn对Ga2O3进行N型掺杂时，可以实现良好的可控性。尽管某些UWBG半导体（例如AlN，c-BN和金刚石）在BFOM图表中击败了Ga2O3，但它们的广泛使用受到了严格的限制。换而言之，AlN，c-BN和金刚石仍然缺乏高质量外延生长的合适衬底。

最后，从损耗上来看，理论数据显示氧化镓的损耗是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3，更少的损耗也就意味着能更好地节省成本。另外，氧化镓单晶可通过熔融法实现，单晶衬底成本更低，这都让产业界人士对氧化镓的未来有了很高的期待。从制造工艺来说，氧化镓的生长分为衬底材料的生长和薄膜的生长；氧化镓单晶衬底材料的生长方法有升华法，提拉法和HVPE等；氧化镓单晶薄膜的生长技术有金属有机气相沉积法和分子束外延法，其中MOCVD法质量较高，可实现多片快速生长，适用于工业化生产，生长采用的金属有机源为三甲基镓，氧源为高纯氧气，生长温度为550-700摄氏度。
03.导热性低、成本高等问题尚待优化在上文中，我们已经详细的讲解了氧化镓作为新一代半导体材料所具备的优势，但要像大规模落地，还有一些需要解决的缺点：一是氧化镓导热性低，在目前已知的所有可用于射频放大或功率切换的半导体中，氧化镓的导热性最差。其热导率只有金刚石的1／60，碳化硅（高性能射频氮化镓的基底）的1／10，约为硅的1／5。低热导率意味着晶体管中产生的热量可能会停留，有可能极大地限制器件的寿命。二是成本问题，上文中提到氧化镓器件的损耗更低，但要知道氧化镓衬底主要采用导模法进行生产，导模法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长，对生长环境要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。而铱的价格极其昂贵，接近黄金的三倍，仅坩埚造价就超过600万，从大规模生产角度很难扩展设备数量，另一方面，铱只能依赖进口，给供应链带来很大风险。三是氧化镓器件目前仅有N型材料，而一般大规模应用的半导体材料需要P型和N型共同存在，形成PN结从而参照Si的器件结构和工艺直接制造MOS、IGBT等多种器件，才能有广泛的市场应用。
04.市场新风口，未来前景有多大？近年来，以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料需求爆发，成为资本市场追逐的对象。如今，以氧化镓为代表的第四代半导体材料的闪亮登场，有望成为半导体赛道的新风口。根据日本氧化镓企业FLOSFIA预计，2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年达到15.42亿美元（约人民币100亿元），达到碳化硅的40％，达到氮化镓的1.56倍。单看新能源车市场，2021年全球新能源车销量650万辆，新能源汽车渗透率为14.8％，而碳化硅的渗透率为9％，随着新能源车的渗透率提高，市场规模将逐步扩大，目前碳化硅、氮化镓还远未达到能够左右市场的程度，相比之下氧化镓的发展窗口非常充裕。

全球功率器件市场和氧化镓功率器件市场规模（百万美元）在射频器件市场，氧化镓的市场容量可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场。碳化硅半绝缘型衬底主要用于5G****、卫星通讯、雷达等方向，2020年碳化硅外延氮化镓射频器件市场规模约8.91亿美元，2026年将增长至22.22亿美元（约人民币150亿元）。

碳化硅外延氮化镓器件的市场规模（百万美元）从应用领域来看，氧化镓在以下方面将会得到长远发展：1．功率电子氧化镓功率器件跟氮化镓、碳化硅有部分重合，在军民应用领域有广泛的应用前景。在军用领域可用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等，可大幅降低武器装备系统损耗，减小热冷系统体积和重量，满足军事应用部件对小型化、轻量化、快速化与抗辐照耐高温的要求；在民用领域可用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域，能够实现更大的节能减排；2．衬底材料氧化镓能通过提拉法快速制备，是一种有潜力的衬底材料，可用来制备大功率GaN基LED，也可以利用同质外延制备新型氧化镓基功率电子器件；3．透明导电氧化物薄膜氧化镓晶体化学性质稳定，不易被腐蚀，机械强度高，高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和蓝光区域透明，这是传统的透明导电材料所不具备的，因此β－Ga2O3单晶可以成为新一代透明导电材料，在太阳能电池、平板显示技术上得到应用；4．日盲紫外光探测器及气体传感器由于氧化镓高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和蓝光区域透明，因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。
05.日本遥遥领先，国内奋起直追纵观氧化镓发展历史，日本遥遥领先全球并引领其商业化。早在2008年，京都大学的藤田教授就发布了氧化镓深紫外线检测和SchottkyBarrier Junction、蓝宝石（Sapphire）晶圆上的外延生长（Epitaxial Growth）等研发成果。2012年，日本率先获得2英寸氧化镓材料，并于2014年实现了批量产业化，随后又实现了4英寸氧化镓材料的突破及产业化；2015年，推出了高质量氧化镓单晶衬底；2016年又推出了同质外延片，此后基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现，各国开始争相布局。在国际上，有三家公司作为氧化镓衬底、晶圆和器件的开发商和制造商脱颖而出，分别是美国的Kyma Technologies和日本的FLOSFIA和Novel Crystal Technology。2021年，Novel CrystalTechnology全球首次量产了100mm 4英寸的“氧化镓”晶圆。2022年，Novel CrystalTechnology与大阳日酸株式会社、东京农业技术大学合作，将备受关注的氧化镓（β－Ga2O3）用HVPE法成功地在6英寸晶圆上沉积。FLOSFIA则是在2022年，与三菱重工、丰田汽车子公司电装和大规模生产使用氧化镓（硅的替代品）作为半导体材料的功率半导体。国内方面也有不少企业开始布局氧化镓领域，比如：北京镓族科技，成立于2017年，专业从事超宽禁带（第四代）半导体氧化镓材料开发及器件芯片应用产业化的国家高新技术产业公司，涵盖完整的产业中试产线，具备研发和小批量生产能力，初步构建了氧化单晶衬底、氧化镓异质／同质外延衬底生产和研发平台。杭州富加镓业，成立于2019年，是由中国科学院上海光学精密机械研究所与杭州市富阳区政府共建的“硬科技”产业化平台——杭州光机所孵化的科技型企业，专注于宽禁带半导体材料研发，最初技术来源于中科院上海光机所技术研发团队，主要从事氧化镓单晶材料设计、模拟仿真、生长及性能表征等工作。北京铭镓半导体，成立于2020年，是国内专业从事氧化镓材料及其功率器件产业化的高新企业，专注于新型超宽禁带半导体材料氧化镓的高质量单晶与外延衬底、高灵敏度日盲紫外探测器件和高频大功率器件等产业化高新技术的研发。目前，铭镓半导体已实现量产2英寸氧化镓衬底材料，突破4英寸技术，是目前唯一可实现国产工业级“氧化镓”半导体晶片小批量供货中国厂家，已完成两轮融资。深圳进化半导体，立于2021年，是一家专业从事第四代半导体氧化镓（Ga2O3）晶片研发、生产和销售的半导体企业，是少有的拥有氧化镓的单晶炉设计、热场设计、生长工艺、晶体加工等全系列自主知识产权技术的氧化镓单晶衬底生产商之一。
06.氧化镓产业化初期，国产“突围”有望目前，国内对于氧化镓半导体十分看重，早在2018年，我国已启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究。2022年，科技部将氧化镓列入“十四五”重点研发计划。除了上文列举的几家国内厂商以外，国内氧化镓材料研究单位还有中电科46所、上海光机所等等，还有数十家高校院所积极展开氧化镓项目的研发工作，积累了丰富的技术成果。随着市场需求持续旺盛，这些科研成果有望逐步落地。由于全球氧化镓产业均在产业化的前期，这或许可以帮助国产半导体在全球半导体竞争中实现“突围”。

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