智芯研报｜第四代半导体GaO将在未来3-5年释放惊人潜力

第三代半导体联合创新孵化中心

2021年7月6日 11:33

过去一年里，我们看到随着市场对半导体性能的要求不断提高，及各种利好政策相继出台，第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势崭露头角，迎来了产业爆发风口。

在第三代半导体万众瞩目的时刻， 第四代半导体也正逐渐进入我们的视线 。

伴随当前量子信息、可再生能源、人工智能等高新技术的迅速涌现和发展，半导体新体系及其微电子、光电子、磁电子、热电子等多功能器件技术持续催生。虽然前三代经典半导体技术持续发展，但已经渐渐呈现出难以满足新需求的问题，特别是 难以同时满足高性能、低成本的苛刻要求 。

一、各种材料加工至芯片的全周期对比

1. 各材料的衬底对比（标蓝为更有优势）

2. 衬底制造环节的分析

从上表可以看出，

（1） 晶片尺寸 ：三种材料目前的尺寸基本相当，即单片衬底的芯片产出相差不大（GaO器件做成垂直器件相对会更小，此处差异忽略不计）。SiC已有8寸单晶衬底、GaN（自支撑）目前有4寸量产产品，6寸样品刚进入市场，未量产暂时未考虑。

（2） 设备投入 （晶体生长炉+坩埚+晶体加工设备）：GaO设备投入每条产线投入约350万，SiC设备投入每条产线550万，GaN设备投入每条产线800万。

（3） 生产效率 ：GaO每月可产出8炉，年产80炉，可产800片，边角料短期内还可切成10mm * 10mm的小片销售给科研单位研究用，每炉100片，年产8000片小片。SiC每月可产4炉，年产40炉，可产400片，不能按小片销售，且良率按30%算约为120片。GaN自支撑衬底产量更小。

在材料学领域，一般以2100℃作为晶体生长的分界线，低于此温度可以使用常规的设备，一旦工艺温度超过该界限，则需使用加热、保温等完全不同的材料体系，即完全不同的特殊设备，价格要比常规设备高出数倍。PVT-SiC晶体生长温度高达2400℃，且跟GaN一样，无法通过可视化窗口观察生长过程进行控制，因此设备价格、加工能耗、良品率都较低，导致这两种衬底材料成本高企不下。而GaO的衬底成本约为SiC的1/3~1/5，具有明显的成本优势。液相法SiC解决了PVT法不可视良率低、需要高温、缺陷密度高、只能做N型的问题，实现高良率、低能耗、高品质、可生产P型等效果，即低成本、高品质衬底产品将进入市场竞争，预计将对PVT-SiC造成巨大的市场冲击，但同时也会极大促进SiC产品的应用，可能会对GaO市场推动也带来一定影响。

关于液相SiC和无铱GaO这两种优势技术来说，需要补充的是：

① 晶体

液相SiC长成的晶体为正六方型，即使达到6寸，也只能切成4寸使用，造成很大的浪费，尺寸越大浪费越多。

无铱GaO晶体是圆柱形，可直接切成同直径圆盘。

② 成本

预计当技术成熟时，即良率相同的情况下，碳化硅比氧化镓的成本至少贵30%，而且尺寸越大，成本差距越明显，氧化镓优势越大。

③ 优势

目前液相SiC技术尚处在实验室阶段，从理论上看，该技术生成的SiC晶体质量会更高，不仅位错降一个数量级，而且因成品率提高（液相SiC天然较气相SiC成品率高），使得成本差不多相较当前的气相法SiC能降50%。而且与无铱GaO一样的是，尺寸越大成本降低越明显。

④ 瓶颈

液相SiC技术有一些需要克服的关键工艺问题。该技术使用溶液法，核心原理是使用了助溶剂，通过助溶剂中材料的析出实现降低熔点的目的，该技术下工艺温度为1700~1800℃，而此前由于SiC材料在温度还未达到熔点融化就升华了。日本、国内某研究所以及我国某创业公司的技术路线基本相同，未来主要区别在于技术细节的把控和对下列问题的解决：

一是生产中炉内缺乏可视系统，导致成品率无法保证，尤其是籽晶接触液面缺乏探测手段，籽晶很薄只有1毫米，过浅尚未接触无法结晶，过深没入液面无法生长，需要特殊的控制手段。

二是溶剂，碳在溶剂里面溶解度很低，如果超出就形成碳簇，会围绕碳簇形成多晶，导致生产失败，因此工艺上对热场和流场的要求很高，需要稳定和合理的工艺控制技术。

三是该技术SiC同样长不厚，仅几毫米厚，一般不超过10mm，还要留出3mm以上做下一炉生产的籽晶，因此实际生产效率提高不多，后续研发需要解决的关键问题是如何继续长厚，而且大规模生产中还需要开发自动配料系统，持续稳定供应合适的溶液。

3. 外延及芯片制造阶段的对比

4. 外延及芯片加工阶段的分析

从上表可以看出，

（1）SiC、GaN的外延生长设备成本就明显要高出GaO材料数倍，且因为外延时间较短，thc≫tepi，即升温、降温的时间要远远大于实际外延生长时间，所以几种材料外延的速度差异并不明显，而且由于各家技术有差异，用途不同的外延也有些许差别，此处不做更深入的比较。目前各种材料的外延技术较为成熟，可以满足市场的需求。

（2）芯片加工阶段，由于GaO、SiC可以使用垂直结构，所以同等规格下，芯片面积较小，为便于比较，暂时忽略这种优势，三种材料在功率芯片加工过程的成本差异不大。

综上，可以看出，GaO器件最终成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有独特的竞争优势。

二、氧化镓的热导率和迁移率低不构成应用的问题

1. 热导率问题

我们认为，业界普遍因GaO的低热导率对其实际应用前景感到担忧，这可能是做材料开发的科研人员不太熟悉器件或做器件的科研人员产业经验不足导致的。实际上，半导体功率器件应用中所涉及到的热问题，要细分为三部分来分析：产热，耐热，散热。

（1）产热

功率器件，主要有驱动损耗、开关损耗和导通损耗三个部分的损耗带来的，损耗越低，效率就越高，而决定这几种损耗的关键指标就分别是Qg、Coss和Ron，所以降低损耗的关键是降低这几个指标。

图功率器件损耗组成

Ron，即On-resistance导通电阻，主要是与材料的特性决定。业界看好GaO、SiC、GaN在功率领域的应用前景，也因为这几种材料的Ron极低，可以大幅度降低导通损耗。SiC的导通电阻是Si产品的1/6，而GaO的导通电阻是SiC的1/6，在导通损耗方面具有很大优势。

Qg，即Total Gate Charge 总栅电荷，反映了对器件驱动的电流需求，可以理解为需要在栅极充电建立电场需要的驱动能力，关系到器件的开关损耗。Qg 小，意味着驱动损耗小，整个开关的频率就可以做到很高。一般把Qg归入到开关损耗当中。

Coss越大，引起的EMI就越小。反之，Coss越小就越容易产生EMI的问题。但是，在硬开关的过程中，Coss又不能太大，因为Coss储存的能量将在器件开通的过程中，放电释放能量，将产生更多的功耗降低系统的整体效率，同时在开通过程中，产生大的电流尖峰。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键。最好能使Coss值较低，且线性化更好，以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，增大能量转换效率，便于提高开关工作频率。基本上来说，开关损耗是主要由Cgd决定，即gate 到drain的电容。而Coss等于Cgd+Cds，所以，是可以做到Cgd很小（损耗很小）,而Coss并不小（可以有比较大的Cds）。碳化硅MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%，这也是为什么SiC可以高频工作。

对于功率器件来说，Ron是一个关键指标，导通电阻越低，其损耗越小，产生的热量越少，从而有效控制温升。

（2）耐热

耐热对于功率器件来说，主要是以为器件特性随着温度的变化而变化。如硅基功率器件，因Si材料特性限制，随着结温升高，本征载流子浓度急剧升高，导致载流子迁移率下降，阈值电压随温度降低，漏电流也急剧增大，所以一般要在结温175℃以下才能正常工作，而GaO、SiC、GaN理论上可以工作在300℃以上。GaO在使用SiC异质结工艺，当环境温度升高到500 K时，开-关比几乎不随温度变化，而Ron仅增加了14%，若使用同质外延，Ron增加36%。

图（a）在GaOISiC和GaOISi MOSFET中，开-关比几乎不随温度变化，而在GaO-on- GaO器件中，开-关比随温度变化很大。（b）随着环境温度（Tamb）升高到500 K，GaOISiC和GaOISi MOSFET的导通电阻（Ron）增大了14％，这一数字远低于GaO-on- GaO器件。

参考文献[1]: M. H. Wong et al. IEEE Electron Device Lett. 37 212 (2016). [2]: M. H. Wong et al. Appl. Phys. Lett. 109 193503 (2016).

因此， 材料耐高温的特性进一步使得低热导率在应用中不会产生实质影响。

（3）散热

既然材料产热少，又耐热，那么对散热的要求就会降低，如果在封装环节也充分考虑到Die的散热，就可以进一步降低材料低热导率带来的影响。

图：采用芯片倒装封装降低热效应（AFRL）

这可能也是为什么Flosfia推出的SBD并没有采用特殊封装的原因。

图 Flosfia推出的GaO SBD（Flosfia官网）

综上所述，我们总结为“GaO的低热导率问题可以视为科研上的问题，而不应该构成应用上的问题。”

2. 迁移率

作为晶体管性能指标的沟道迁移率，需要达到实用化标准（200 cm2/V·s）才具有应用价值。半导体器件的迁移率简单分析，主要包含了体迁移率和沟道迁移率两个方面。其中体迁移率主要跟材料本身特性相关，沟道迁移率与器件结构相关。如果在射频方面应用，对迁移率要求很高，在这一点上，GaO的性能目前确实是不如GaN有优势的，GaN在射频方面的应用还会持续扩张。

表各材料的不同迁移率

（研究数据来源：西电大学周弘、中山大学何亮）

3. Huang优值（HMFOM）下的材料比较

（1）Huang优值：

根据A. Huang教授的理论研究，单极型功率器件的功耗损耗最小值（包含导通损耗与开关损耗）与

成反比，由此提出HMFOM，用以评估应用在功率器件领域的电子材料。而另外一种也为人熟知的Baliga优值，则只考虑了低频应用中器件的导通损耗，没有考虑开关损耗，使得其具有一定的局限性。

（2）不同材料的对比：

下表中我们对比了几种常见材料的HMFOM，GaO的HMFOM是硅材料的12.4倍，分别是GaN和SiC的1.4和2倍。

4. 产业化考虑：低成本，满足性能要求

功率器件作为现代电子信息产业中一种重要的功能元器件，在电网、汽车、家电、轨道交通、IT、工业、航空航天、国防等领域有着极为广泛的下游应用，因此其产品品质、性能的稳定性对下游客户极为重要，下游客户对于供应商有较为严格的认证条件和流程，如汽车行业认证需要1-2年。

同时，第三代和第四代半导体功率器件同作为新兴产品，客户在应用时会采用更为严格的认证手段以保证自身产品的稳定性和公司品牌不会受到影响。因此，能否成功打入某个下游领域、某个知名客户，不止有利于基于新半导体材料的功率器件厂商维持稳定的客户关系、销售规模，还对其在后续的产品推广至关重要。

而产业化除了上述的性能、稳定性要求是基础门槛，达到应用标准后，下游客户最关注的无疑是一致性、成本和产能，也即大规模应用的可能性。GaO的性能优异，目前产品型号在逐步推出，预计未来的成本将低至硅基GaN产品甚至可能更低，对客户有很强的应用诱惑，因此未来几年将是产品推出、测试、试用、认证的关键时期。

5. 结论

综上，可以看出，GaO的低热导率、低迁移率，可作为未来数年业界进行科研的主攻方向，突破这些问题将能够大幅度提高人们对GaO的应用预期，推动GaO的产业化进度，但其实这些参数并不会实际上影响当前GaO导入实际应用的价值。

三、氧化镓应用的动力与阻力

1. 动力

（1）单极器件取代双极器件的机遇

功率器件发展和应用的诉求极为清晰，从诞生的那一刻起，就有如下要求：

①　降低产品的重量、体积

②　减少电力转换过程中的损耗

③　降低生产成本，缩短研发周期

④　降低产品的失效率，提升产品的可靠性

因此，提高可靠性、降低成本、提升功率密度和开关频率，以使产品适应更多新兴发展方向是功率器件不变的追求。而市场极为碎片化，也可以让多代产品依照其功能、价格特点，依旧保持共存局面。

当前在高压、高功率领域应用的功率器件以IGBT为主。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是20世纪80年代后期发展起来的，IGBT是功率MOSFET和BJT的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快；BJT的特点是通态压降小、载流能力大，所以IGBT集中了BJT和MOSFET的优点，具有很好的抗击穿性。但是由于IGBT的双极特性（电子和空穴均参与导电），使得该器件在关闭过程中存在较长的拖尾时间，极大的影响了该器件的工作频率，一般为低于20kHz，最高也不过40-50kHz，开通关断导致的损耗会比较大，这是其相对于MOSFET的明显劣势，加之IGBT的价格远高于MOSFET，所以低压、小功率的环境下MOSFET使用更为广泛，高压、大功率的情况下IGBT更为适用。

目前第三代半导体的火爆，就是因为新的材料体系可以在高压、大功率情况下采用单极器件，即使用SiC MOSFET、GaN HEMT、GaO FET，取代硅基的IGBT，除了产品可靠性、电流能力、成本下降空间尚需要一定时间验证外，几乎全面实现了前面所提到功率器件发展的所有诉求。而大规模制造和应用会带来成本和售价的降低，从而继续巩固市场主流技术地位，这也是超/宽禁带半导体应用的前景。在单极器件刚刚导入上述市场的阶段，技术路线尚未定型，具备诸多优势的新材料将迎来崭新的机遇。

而GaO既能做高耐压，也可实现大电流能力，相较于当前SiC器件过流能力不超过200A的规格限制，可达到数百A甚至上千A，性能优秀且成本更低，在大功率应用（如电力）当中可直面挑战IGBT上千甚至数千A的霸主地位。

（2）易做大尺寸量产

从第一节的对照表中可以看出，GaO材料尺寸发展快速，短短几年时间已经追上了SiC和GaN当前最大尺寸，在量产经济性上已经达到了标准，同等加工能力的晶圆加工产线可以实现同等甚至更大规模的产量。而且，GaO成本极低，这就可以让器件研发成本更低、可以有充分的试错空间，使开发和应用都更有效率。

（3）可靠性好

SiC器件与硅基MOSFET类似，也是垂直器件，使用与MOSFET相同的栅极氧化物材料（二氧化硅SiO2），但SiC器件在更高的内部电场下工作。因此，栅极氧化物材料在实际工作中寿命会因时变电介质击穿（TDDB）机制而缩短，即当经过一段时间损耗后栅极氧化物会被击穿。现在应用中是采用老化测试+筛选的方式规避该问题。同时，SiC还有阈值电压不稳定的问题，这是由偏置温度不稳定（BTI）的失效机制所引起，而BTI即是晶体管的退化现象。而对GaN器件而言，动态导通电阻是最大的问题，具有1mΩ规格的GaN器件在野外工作100小时后，可能变成10mΩ。此外，GaN一般是在异质衬底上生长，所以会有严重的晶格失配问题，长期可靠性也是目前业界普遍的顾虑。

GaO材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3个数量级，这在芯片加工中可以规避很多问题，而且由于是同质外延，器件不会像GaN一样出现晶格失配问题。

2. 阻力

虽然GaO材料具有诸多优点，大规模应用还是有一定的阻力，相信在日后都可一一克服。

（1）衬底及外延大规模推广时间业界存疑

目前衬底市场为日本的NCT公司所垄断，虽然该公司已能提供2~4寸产品，但是定价极为昂贵，仅10mm*15mm的小尺寸衬底售价高达6000~8000元，做上外延更是高达2万~10万元，说是比卖军火还暴利也不为过。这让下游客户的技术和产品开发受到极大限制，而国内研究十数年尚无形成供货能力，业界对国内厂家何时能够提供物美价廉的衬底和外延产品普遍持悲观态度。这就需要有一家或若干家企业先形成供应能力，从源头上给下游企业供应链保障，并大幅度降低成本，激发下游企业的研发动力。

（2）P型材料制备与应用

作为一款半导体材料，若想大规模应用一般是需要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，可以有广泛的市场应用。然而GaO目前仅有N型材料，这就让其未来的应用潜力充满不确定性，业界唯恐器件开发受到材料限制成为一条断头路，所以尽管当前GaO SBD已可实现量产，业界仍对GaO的未来产生质疑。

根据笔者的调研和访谈，复旦大学的方志来老师已经通过创新的工艺方式实现了GaO的P型半导体制备，并且载流子浓度达到1.0×1011/cm3～1.0×1016/cm3 达到了实用水平，正在进行产业化准备阶段，一旦实现了PN结，相信全球业界将彻底爆发研发的激情。

此外，值得期待的是，当前已有多种方法可以规避P型GaO材料即可制造MOS。包括

美国的AFRL用水平结构电子积累型晶体管、

美国的康奈尔大学采用金属-绝缘体-半导体(MIS)结的方式制作MOS，

美国俄亥俄州立大学用调制掺杂场效应晶体管、

美国加州大学布法罗分校采用SU-8即环氧聚合物钝化构造MOS、

日本的NCT双栅极沟道控制垂直鳍型晶体管、

日本的Flosfia使用P型半导体α-Ir2O3氧化铱搭配α-GaO制作MOS，

意大利帕尔马大学打算利用ε-GaO与GaN结合制作HEMT，

都可以实现器件耐压超过2000V，电流超过10A，使器件可以应用在新能源车、充电桩（也适用快充）、工业电源等领域，有广泛应用的市场前景（这些领域主要应用650V，1200V，1700V耐压等级）。

（3）器件产品型号覆盖应用规模尚小

功率半导体应用十分广泛，因此TOP厂家都有成千上万的SKU型号以满足各行业客户选型需求，难以用一款爆品支撑市场。然而目前第三代半导体主要应用在快充（GaN）、新能源车及充电桩（SiC）以及光伏等领域，型号集中在几种规格就可以获取巨大的市场份额，也吸引了大量中小厂商试图切入市场。但是这几种市场各有特点，都需要时间形成性能和成本匹配的替代产品，以及通过行业内的严苛认证，这也意味着新产品的导入需要不短的时间。

① 快充：该市场广泛采用8英寸的GaN-on-silicon 产品，这类产品虽然可靠性较低，但是属于消费品市场，对产品成本和性能较为敏感，切入的是中高端产品，对产品规格要求较低，市场容量大、导入速度快，当前已有不小的应用规模，替代需要更优的性能和价格才能打动客户。而且GaN卖点主要是终端产品体积小、功率密度大，因此有些厂家如Navitas已经把driver等周边器件与GaN功率器件集成为SIP，这也要求GaO未来也需要推出同等产品才能适配方案，这进一步加大了市场准入的门槛。

② 汽车：该市场正在积极导入的是SiC SBD和MOS，通过特斯拉Model 3 的带动性作用，以及国内在充电桩等市场前期的铺垫，现在诸多车厂纷纷将SiC导入产业链，通过合作开发或股权投资，加强与掌握SiC芯片及模块技术企业的合作，试图尽早实现国产化替代。但是汽车产业链对芯片的可靠性要求极高，因此对芯片及供应链各方面质量的验证时间较长，而且还要围绕芯片进行配套的系统开发，产品导入时间超过三年甚至五年。

这就需要设置合理化的市场路线，从易到难，并行推进，需要人力、物力、财力的不断支持，全周期有持续的产品推出，充分测试和验证，从而形成产品和技术的正循环，加速导入汽车产业链。

（4）既有量产线一般不愿意调整产品

量产的芯片加工线已经形成稳定的生产和营收，只有在实验线上进行了技术验证，并且市场已经有足够的需求，量产线才有可能考虑调整生产新产品，而且还需要对一些工艺环节的设备进行调整，以免造成交叉污染，这对已经量产的工艺线都是很大的风险。因此，预计GaO的市场化路径应该是从初创企业的中试线导入，之后配合地方政策支持新建量产线，或采用技术合作方式承包已有产能的工艺线，而不是从现有量产线进行改造。

综上，GaO有着优异的性能和成本优势，在当前单极器件替代双极器件的历史机遇下，可以通过技术手段规避材料弱点，推出高品质、低成本的高功率SBD和MOS，通过合理的市场规划和融资，能够将产品快速推向市场，在五年内覆盖市场大部分的应用场景，从低端产品到高端产品，逐步实现对IGBT等高能耗、高价格产品的替代。

四、创业企业需掌握的核心竞争力

1. 高品质籽晶

材料企业无法快速从零到一的突破，就在于高品质的籽晶需要不断的培养优化，才能提高材料品质，达到用户的需求标准。

2. 知识产权

半导体材料技术大部分在工艺段，因此既需要适当的技术保密，也需要一定的知识产权保护，知识产权的内容设计是考验企业是否真正掌握技术的内在标准。

3. 设备的拆装和设计

只有掌握了设备的构造，才能进行合理的优化，既形成基于设备的know-how，联动性越强，对于知识产权保护越有力。同时，自行设计的设备造价一般是市场常规设备的1/3~1/5，因此可以进一步节约成本，在研发和量产阶段都能具有更明显的成本优势。

4. 材料理解和热场设计

热场设计是晶体生长的核心技术，是研发人员在无数次的实验中形成对材料各方面特性的模拟和仿真，是晶体生长领域的数字孪生。这就要求一方面团队对材料有足够的了解，一方面也要逐步构造数字化研发体系，用全新的AI技术帮助技术的迭代和演进。

5. 市场理解与行业资源

半导体材料环节是基础科学技术的转化，向来是国内产业链的薄弱环节，周期长、风险大，除了人员、资金、设备等显而易见的门槛，其实对创始团队的市场理解和行业资源也要求极高。技术背景和市场思维的充分结合，才能设置合理的发展目标，找到最适合的切入点，既能保证技术和产品得到验证，也可以获得足够的利润保障公司生存和发展。只有在行业中摸爬滚打多年的团队，才有足够的行业资源，找到并引进合适的人才加强研发能力，同时快速接触客户实现市场转化，当然不可或缺的就是融资能力，有足够的投资机构渠道以及投资人思维的换位思考，对融资流程、条款、取舍都需要足够的认知才能保证发展的平稳。此外，由于材料生产是重资产投入型产业，必然要依赖政府的支持才能以小博大，扩大生产规模，这也对团队对政府诉求有清晰的认识，在对接、谈判中形成共同的利益目标，各取所需，成功落实合作。

五、总结

虽然业界多方认为GaO的低迁移率和低热导率会影响其应用导入，缺少P型材料会限制其发展，但是目前已有多种方法规避、改善这些问题，甚至一些问题并不构成实质的阻碍。因此，基于用户对功率密度更高、损耗更低、成本更低、性能更好的功率器件的渴求，我们相信GaO将会在未来3-5年释放惊人的潜力。

参考文献

1.Improving Reliability For GaN And SiC。（Semiconductor Engineering）

2.Cree展示4英寸零微管SiC衬底（华强电子网）

3.美、欧、日专家眼中的氧化镓市场（半导体材料行业分会）

4.理解MOSFET开关损耗和主导参数（维科网）

5.第三代半导体 GaN 功率开关器件的发展现状及面临的挑战（何亮，刘扬，电源学报）

6.A review of the most recent progresses of state-of-art gallium oxide power devices（周弘，Journal of Semiconductors）

7.P-type β-Ga2O3 metal-semiconductor-metal solar-blind photodetectors with extremely high responsivity and gain-bandwidth product（Materials Today Physics 14 (2020) 100226，方志来）

8.Energy-driven multi-step structural phase transition mechanism to achieve high-quality p-type nitrogen-doped b-Ga2O3 films（Materials Today Physics 17 (2021) 100356，方志来）

| 来源：祥峰投资任刚

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