三菱電機(jī)公司于7月30日宣布，它已入股Novel Crystal Technology, Inc.（以下簡稱“NCT”），一家開發(fā)和銷售氧化鎵晶圓的日本公司。

以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借耐高溫、抗高壓、開關(guān)速度快、效率高、節(jié)能、壽命長等特點，近年來業(yè)界熱度一路飆升。然而，在寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展勢如破竹的同時，學(xué)術(shù)界和科研界不約而同地展望下一代半導(dǎo)體材料——氧化鎵（Ga?O?），并將其視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導(dǎo)體材料的代表。

三菱電機(jī)早已在碳化硅領(lǐng)域布局多年，近年來其在室內(nèi)空調(diào)、高速鐵路、車載應(yīng)用等領(lǐng)域成效明顯，產(chǎn)能也在不斷擴(kuò)大。隨著氧化鎵材料及應(yīng)用技術(shù)逐步從研發(fā)階段向商業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化，業(yè)界認(rèn)為，氧化鎵未來極有可能成為高功率、大電壓應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)者。基于此，三菱電機(jī)也正式出手了。

三菱電機(jī)表示，現(xiàn)在期望通過將其在量損耗、高可靠性功率半導(dǎo)體的設(shè)計和制造方面的專業(yè)知識與Novel Crystal Technology在鎵生產(chǎn)方面的專業(yè)知識相結(jié)合，加速其節(jié)能氧化鎵功率半導(dǎo)體的開發(fā)。


世界最強(qiáng)半導(dǎo)體——氧化鎵

氮化鎵的性能已是出類拔萃，但是它還不是最強(qiáng)的。世界最強(qiáng)半導(dǎo)體材料就目前的指標(biāo)而言，是氧化鎵。

氧化鎵的禁帶寬公開報道是4.9eV，砷化鎵的禁帶寬為1.6eV，氮化鎵是3.36eV。另據(jù)報道，硅的禁帶寬為1.1eV，如果干癟的數(shù)字不好比較，那我們就打一個比方：假如4.9eV與3.36eV相差的是一英里的話，那么4.9eV與1.1eV的距離就是一個馬拉松。

然而報道中的氧化鎵4.9eV的禁帶寬并不是它的實際數(shù)據(jù)，因為在當(dāng)時實驗室條件下還無法探測氧化鎵禁帶寬度邊界。對于半導(dǎo)體材料禁帶寬檢測，一般在為15到20微米半導(dǎo)體材料上進(jìn)行，由于氧化鎵能力強(qiáng)，這么大的面積根本無法檢測到邊界，因此降至600納米，探到的數(shù)值為近5eV，但據(jù)推算，當(dāng)時實驗內(nèi)部可能達(dá)到8eV，而且這還不是它的邊界。也就是說，在禁帶寬度方面，氮化鎵與氧化鎵的距離有好幾個馬拉松。2017年時，美國空軍研究實驗室還展示了1千兆赫時，脈沖射頻功率輸出密度超過每毫米500毫瓦的情況，最大振蕩頻率接近20千兆赫。表明氧化鎵的JFOM明顯優(yōu)于氮化鎵。

在實驗中，氧化鎵在使用過程中幾乎沒有能量損耗，而且好像一直于開啟狀態(tài)。這可能源于柵極-漏極間隙通常只有15到20微米，這讓它的寄生電阻很小，小到可以忽略。2017年的時候，氧化鎵的耐壓試驗已達(dá)600伏，這個電壓，氮化鎵用了二十多年。

但是想要做第四代中最強(qiáng)的半導(dǎo)體，單有禁帶寬與耐高壓是不夠的。

氧化鎵可以通過摻雜的方法，在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導(dǎo)電性。而且這個摻雜與硅材料摻雜有極大相似性。對于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動。對于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來添加電子。這個方法只有氧化鎵能做，像其它的四代半導(dǎo)體金剛石等則會引起電荷卡死，提高不良率。

氧化鎵還有一個特性是其它半導(dǎo)體材料不具備的。那就是它的晶棒也可以用硅材料生成化制造，這有利于大幅度降低氧化鎵的生產(chǎn)成本。氧化鎵目前有三種形態(tài)，分別是β、ε、α。其中β-氧化鎵具備良好的熱穩(wěn)定性，因此可以使用大量的商業(yè)技術(shù)來制造，包括用于制造硅片的提拉法。也可以使用“邊緣定義、薄膜饋電晶體生長”技術(shù)來生產(chǎn)β-氧化鎵晶圓。甚至可以使用可高度擴(kuò)展的垂直坩堝下降技術(shù)生長晶體。

氧化鎵后面這兩個特性很重要，這讓它可借用各種各樣的既有商業(yè)光刻和加工技術(shù)。這兩點，其它半導(dǎo)體做不到，包括氮化鎵。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導(dǎo)體必須生長在另一種材料盤中，比如氮化鎵通常依靠復(fù)雜的工藝在硅、碳化硅、藍(lán)寶石基底上生長，由于基底的晶體結(jié)構(gòu)明顯不同于氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)，這種差異會造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產(chǎn)生大量缺陷。這樣芯片的良率下降，而且生產(chǎn)成本也大幅上升。

以上優(yōu)點墊成了氧化鎵是現(xiàn)有半導(dǎo)體材料中最強(qiáng)的。但是氧化鎵而有一個其它所有半導(dǎo)體材料沒有的特性，它可以用于量子力學(xué)，其原因就是氧化鎵是一種透明導(dǎo)電氧化物。這意味著氧化鎵在用于量子計算機(jī)、量子通訊、量子雷達(dá)方面比其它半導(dǎo)體材料更具優(yōu)勢。就此一點，也是最強(qiáng)半導(dǎo)體。當(dāng)然，這是在新的半導(dǎo)體材料未出現(xiàn)之前。


產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的機(jī)遇

1、功率器件不遵循摩爾定律演進(jìn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來長時間窗口機(jī)遇

集成電路器件在制造工藝層面的發(fā)展主要包括尺寸依賴的先進(jìn)工藝和非尺寸依賴的特色工藝兩大方向。在縱向的先進(jìn)工藝中，器件特征尺寸的縮小、工作電壓的降低以及開關(guān)頻率的提高等成為業(yè)界追求目標(biāo)。在橫向的特色工藝中，器件結(jié)構(gòu)的多樣化，芯片在不同場景下如何承受高電壓、輸出高電流、提高電路線性特征和降低噪聲等特征參數(shù)成為主要發(fā)展方向。氧化鎵未來主要應(yīng)用在肖特基二極管、功率MOSFET 等功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，屬于特色工藝制造，對材料質(zhì)量、制備工藝及器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)依賴，對晶體管溝道長度無明顯微縮要求，一般使用 0.18-0.5μm 制程，器件演進(jìn)無需追趕摩爾定律給氧化鎵發(fā)展帶來長時間窗口機(jī)遇。


2、氧化鎵高性能和低成本優(yōu)勢疊加，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來趕超新機(jī)遇

（1）從材料器件性能角度看，氧化鎵禁帶寬度約為 4.9 eV，理論擊穿場強(qiáng)為 8 MV/cm，氧化鎵的更寬禁帶可承受比硅、碳化硅、氮化鎵更強(qiáng)的電場，對功率器件抗高壓和小體積帶來顯著競爭優(yōu)勢。

（2）從材料器件成本角度看，在原材料環(huán)節(jié)，氧化鎵粉末價格約為 2000-3000 元 / 千克，碳化硅高純粉達(dá)上萬元 / 千克。在單晶襯底制備環(huán)節(jié)，氧化鎵單晶襯底生長周期普遍比碳化硅短，國際領(lǐng)先企業(yè)生產(chǎn)氧化鎵的效率比碳化硅普遍大 2 倍。若無銥熔體法技術(shù)獲得成功應(yīng)用，生長效率將大幅提升。在器件環(huán)節(jié)，據(jù)測算，氧化鎵器件若實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)后，從同樣基于 6 英寸襯底的器件成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本約為 8000 元，約為碳化硅器件成本的 1/4。


3、碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來歷史性機(jī)遇

與碳化硅相比，氧化鎵在原材料加工、襯底外延以及器件工作環(huán)節(jié)上具備顯著節(jié)能優(yōu)勢。

（1）原材料加工層面，氧化鎵粉末相比碳化硅粉末制備流程簡單，碳化硅粉末對純度要求高，提純難度大，將進(jìn)一步增加耗能。

（2）襯底材料生長層面，據(jù)簡單測算，在良率為理想情況下，常用的導(dǎo)模法生長一片 4 英寸氧化鎵襯底約消耗 100kW.h 電能，而物理氣相傳輸法（PVT）生長一片 4 英寸碳化硅則至少需要 300kW.h電能，且碳化硅硬度大導(dǎo)致晶錠在切磨拋過程中消耗的電能更大。

（3）器件工作層面，氧化鎵器件的導(dǎo)通特性是碳化硅的十倍，且開關(guān)損耗是碳化硅的一半，帶來氧化鎵器件更低的導(dǎo)通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率。氧化鎵將成為全球推動制造業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要利器。

技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化駛?cè)肟燔嚨?/span>

人們對高壓、高頻、大功率、紫外發(fā)光和探測的需求，直接推動了寬禁帶半導(dǎo)體和超寬禁帶的出現(xiàn)和發(fā)展。就功率應(yīng)用來說，在其他參數(shù)相同的情況下，禁帶更寬的半導(dǎo)體特性會更優(yōu)。

作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達(dá)到4.9eV，超過第三代半導(dǎo)體材料（寬禁帶半導(dǎo)體材料）的碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV）。更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。

近年，國際氧化鎵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程駛?cè)肟燔嚨溃绕涫侨毡尽?jù)了解，日本企業(yè)正在加緊推進(jìn)配備在純電動汽車（EV）上的功率半導(dǎo)體使用的新一代晶圓的實用化，這是一種由氧化鎵制成的晶圓，日本新興企業(yè)Novel Crystal Technology計劃，從2025年起每年生產(chǎn)2萬枚100毫米（4英寸）晶圓，到2028年量產(chǎn)生產(chǎn)效率更高的200毫米（8英寸）晶圓。該公司社長倉又朗人表示，氧化鎵無論是性能還是成本都能勝過碳化硅，最終目標(biāo)是全面轉(zhuǎn)向氧化鎵。

此外，日本氧化鎵領(lǐng)域知名企業(yè)FLOSFIA將大規(guī)模生產(chǎn)使用氧化鎵材料的功率半導(dǎo)體替代硅基半導(dǎo)體，作為行業(yè)國際領(lǐng)軍企業(yè)，該公司充滿信心地預(yù)計，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達(dá)到15.42億美元（約合人民幣100億元），達(dá)到碳化硅的40%，達(dá)到氮化鎵的1.56倍。據(jù)日本NCT公司預(yù)測，氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴(kuò)大到約590億日元規(guī)模。

近期，我國在氧化鎵研發(fā)方面也取得了一系列進(jìn)展。3月，西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院管理的新型半導(dǎo)體器件與材料重點實驗室陳海峰教授團(tuán)隊，成功在8英寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片。此前2月，中國電科46所宣布成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶。2月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授課題組聯(lián)合中科院蘇州納米所加工平臺，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應(yīng)晶體管。目前國內(nèi)氧化鎵行業(yè)以中國電科46所、山東大學(xué)、進(jìn)化半導(dǎo)體、中科院上海光機(jī)所、北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)等單位為主力。

氧化鎵產(chǎn)業(yè)化需要具備至少3個要素：材料成本低；襯底、外延、器件產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展完善；實現(xiàn)示范性應(yīng)用。目前，氧化鎵國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化程度仍處于初級階段。一旦氧化鎵量產(chǎn)，其超高的性價比會迅速搶占現(xiàn)有新能源汽車的主逆變器、車載充電機(jī)等車用半導(dǎo)體市場以及巨大的白電市場。

中國科學(xué)院院士郝躍曾表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。