日企市場份額占比超9成，國內(nèi)第四代半導(dǎo)體材料加速突破

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）最近國內(nèi)關(guān)于第四代半導(dǎo)體的消息很多，特別是在材料制備方面似乎有不少新突破。我們熟知的碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體，而第四代半導(dǎo)體的其中一個重要特征是“超寬禁帶”，禁帶寬度在4eV以上（金剛石5.5eV，β-Ga2O3 禁帶寬度4.2-4.9eV）。

相比之下，第三代半導(dǎo)體中碳化硅禁帶寬度僅為3.2eV，氮化鎵也只有3.4eV。更寬的禁帶，帶來的優(yōu)勢是擊穿電場強(qiáng)度更大，反映到器件上就是耐壓值更高，同樣以主流的β結(jié)構(gòu)Ga2O3材料為例，其擊穿電場強(qiáng)度約為8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化鎵也高出一倍以上。

所以，材料具備的優(yōu)異特性，讓包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁等材料被認(rèn)為是下一代紫外激光器、功率、射頻等半導(dǎo)體產(chǎn)品的選擇，而其中氧化鎵的應(yīng)用前景最被看好。

氧化鎵材料制備和器件取得突破

今年2月，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達(dá)到目前國際上尺寸最大的氧化鎵單晶襯底水平。一直以來，氧化鎵單晶制備都是業(yè)界難題，由于氧化鎵熔點高、高溫易分解、易開裂等，特別是大尺寸氧化鎵單晶制備良率一直是限制氧化鎵應(yīng)用的攔路虎。

據(jù)中國電科46所介紹，其團(tuán)隊聚焦多晶面、大尺寸、高摻雜、低缺陷等方向，從大尺寸氧化鎵熱場設(shè)計出發(fā)，成功構(gòu)建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長的熱場結(jié)構(gòu)，突破了6英寸氧化鎵單晶生長技術(shù)，具有良好的結(jié)晶性能，可用于6英寸氧化鎵單晶襯底片的研制。

3月，西安郵電大學(xué)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英寸硅片上制備出高質(zhì)量的氧化鎵外延片。硅上氧化鎵異質(zhì)外延有利于硅電路與氧化鎵電路的直接集成，同時擁有成本低和散熱好等優(yōu)勢。

去年12月，北京銘鎵半導(dǎo)體也成功制備了高質(zhì)量4英寸（001）主面氧化鎵（β-Ga2O3）單晶，完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，并且進(jìn)行了多次重復(fù)性試驗，成為國內(nèi)首個掌握第四代半導(dǎo)體氧化鎵材料4英寸（001）相單晶襯底生長技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司。

器件方面，去年12月中國科大微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)于氧化鎵器件的研究論文被IEEE 國際電子器件大會接收，分別涉及了氧化鎵器件在功率以及光電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

在氧化鎵功率器件應(yīng)用中，由于氧化鎵P型摻雜存在困難，PN結(jié)相關(guān)的邊緣終端結(jié)構(gòu)一直是難點。龍世兵教授課題組基于氧化鎵異質(zhì)PN結(jié)的前期研究基礎(chǔ)，成功將異質(zhì)結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)應(yīng)用在氧化鎵SBD，并提高了器件的耐壓能力。在通過一系列優(yōu)化后，器件實現(xiàn)了2.9 mΩ·cm2的低導(dǎo)通電阻和2.1kV的高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)1.52 GW/cm2。

今年2月，龍世兵教授課題組聯(lián)合中科院蘇州納米所加工平臺，分別采用氧氣氛圍退火和氮離子注入技術(shù)，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應(yīng)晶體管。

光電應(yīng)用中，響應(yīng)度和響應(yīng)速度是光電探測器的兩個關(guān)鍵的性能參數(shù)，然而這兩個指標(biāo)之間存在著制約關(guān)系，此消彼長。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術(shù)，該問題在以氧化鎵材料為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體探測器中尤為突出，這次公布的論文就是為了緩解這個問題。

龍世兵教授團(tuán)隊通過引入額外的輔助光源實現(xiàn)對向光柵（OPG）調(diào)控方案，提出了一種光電探測器芯片內(nèi)千萬像素共享一顆輔助LED即可緩解響應(yīng)度與響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系的策略，對光電探測芯片綜合性能的提升有重要的參考意義。

行業(yè)現(xiàn)狀

其實除了材料特性之外的優(yōu)勢，成本和迭代速度也是目前業(yè)內(nèi)關(guān)注到氧化鎵等第四代半導(dǎo)體的原因。與第三代半導(dǎo)體中的碳化硅作對比，碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了近30年的發(fā)展周期才進(jìn)入到6英寸襯底階段，而氧化鎵的發(fā)展速度明顯更快，僅僅10年左右就已經(jīng)到6英寸單晶襯底的階段。

同時，氧化鎵在初期的6英寸襯底成本約在283美元左右，而碳化硅同期的產(chǎn)品成本高達(dá)916美元。通過對工藝的改進(jìn)以及量產(chǎn)規(guī)模提升，氧化鎵6英寸襯底成本可以繼續(xù)下降至200美元以下，最新的數(shù)據(jù)甚至可以低至120美元。在材料成本更低的同時，由于超寬禁帶的材料特性，相比于同功率等級的硅基功率器件，氧化鎵器件所采用的晶圓面積可以降低30-150倍之多，特別在大功率應(yīng)用中成本優(yōu)勢極其突出。

氧化鎵行業(yè)目前在材料以及器件開發(fā)上處于起步階段，但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展迅速。從材料的角度來看，目前日本企業(yè)較為領(lǐng)先，有數(shù)據(jù)顯示，日本在氧化鎵材料市場占到全球90%以上的市場份額。三菱重工、豐田、日本電裝、NCT、日本光波、Novel Crystal等企業(yè)發(fā)展迅速，其中NCT的2-4英寸氧化鎵襯底已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，并在2018年成功制備6英寸β-Ga2O3單晶片；Novel Crystal表示預(yù)計將在2025年開始量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，到2028年開始量產(chǎn)8英寸氧化鎵晶圓，并且最終成本可以降至碳化硅的三分之一。

國內(nèi)氧化鎵材料產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，以往主要是高校或研究所實驗室在投入。不過隨著近幾年氧化鎵的潛力逐漸被發(fā)掘，材料、器件方面都在研究階段取得突破，業(yè)界有更多的資本關(guān)注到氧化鎵行業(yè)。目前國內(nèi)有不少專注于氧化鎵材料的企業(yè)，比如鎵族科技、富加鎵業(yè)科技、銘鎵半導(dǎo)體、進(jìn)化半導(dǎo)體等，部分已經(jīng)實現(xiàn)2-4英寸襯底的制備，加上產(chǎn)學(xué)研合作模式在國內(nèi)進(jìn)一步發(fā)展，一些高校、科研機(jī)構(gòu)的成果也正在通過企業(yè)加速產(chǎn)業(yè)化。

有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，未來十年內(nèi)，氧化鎵可能在功率器件領(lǐng)域能夠具備足夠的競爭力挑戰(zhàn)碳化硅的地位。

目前氧化鎵產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍較小，另一邊的碳化硅產(chǎn)業(yè)，近年依托新能源汽車以及相關(guān)需求的爆發(fā)，產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張，在器件設(shè)計、應(yīng)用方面也會持續(xù)成熟，這些都會成為碳化硅產(chǎn)業(yè)的“護(hù)城河”。但作為下一代半導(dǎo)體材料的主力方向，國內(nèi)企業(yè)能夠提前布局，未來依托國內(nèi)市場，或許有機(jī)會打破當(dāng)前產(chǎn)業(yè)被日企壟斷的現(xiàn)狀。