第四代半导体材料呼之欲出 —— 氧化镓或将站上C位

电子产品世界

2021年10月15日 10:52

一般来说，半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。迄今为止，半导体材料主要分为：基于Ⅳ族硅Si、锗Ge元素的第一代半导体；基于Ⅲ-Ⅴ族砷化镓、磷化铟的第二代半导体以及基于Ⅲ-Ⅴ族氮化镓、Ⅳ族碳化硅的第三代半导体等。

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。

半导体材料的发展之路

第一代的半导体材料：以硅(Si)、锗(Ge)为代表

在半导体材料的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅材料为主占绝对的统治地位。目前，半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的，硅器件构成了全球销售的所有半导体产品的95％以上。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃。
第二代半导体材料：以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表

随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角，并显示其巨大的优越性。砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也加速了光纤及移动通信新产业的发展。主要应用领域为光电子、微电子、微波功率器件等。
第三代半导体材料：以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表

以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料，具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景，有望突破传统半导体技术的瓶颈。

第四代半导体材料：以氧化镓(Ga2O3)为代表

第四代半导体材料主要是以金刚石(C)、氧化镓(GaO)、氮化铝(AlN)为代表的超宽禁带(UWBG)半导体材料，禁带宽度超过4eV，以及以锑化物(GaSb、InSb)为代表的超窄禁带(UNBG)半导体材料。在应用方面，超宽禁带材料会与第三代材料有交叠，主要在功率器件领域有更突出的特性优势；而超窄禁带材料，由于易激发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用。

然而，需要注意的是，这四代半导体之间并不是迭代关系，它们的应用场景有交叉，但不完全重合。

随着量子信息、人工智能等高新技术的发展，半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。虽然前三代半导体技术持续发展，但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。

相比其他半导体材料，第四代半导体材料拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势，可以在苛刻的环境条件下能够更好地运用在光电器件、电力电子器件中。

目前具有发展潜力成为第四代半导体技术的主要材料体系主要包括：窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体；超宽带隙的氧化物材料；其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。

氧化镓材料的特性

作为新型的宽禁带半导体材料，氧化镓(Ga2O3)由于自身的优异性能，凭借其比第三代半导体材料SiC和GaN更宽的禁带，在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究。

氧化镓是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β相最稳定。β-Ga2O3的禁带宽度为4.8～4.9eV，击穿场强高达8MV/cm。

第四代半导体材料呼之欲出 —— 氧化镓或将站上C位的图7

半导体材料特性

氧化镓在光电子器件方面有广阔的应用前景，被用作于Ga基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。这些是氧化镓的传统应用领域，而其在未来的功率、特别是大功率应用场景才是更值得期待的。

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、Ga2O3 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。

而Ga2O3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。

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关键材料(Si/SiC/GaN/GaO)特性对比（IEEE）

相关统计数据显示，从数据上看，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3，即在SiC比Si已经降低86%损耗的基础上，再降低86%的损耗，这让产业界人士对其未来有很高的期待。

此外，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。

而成本更是让其成为一个吸引产业关注的另一个重要因素。从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看，基于GaO材料的器件成本为195美金，是SiC材料器件成本的约五分之一，已与硅基产品的成本所差无几。

GaO和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状(Bulk)单结晶状态。实际上，通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的导模法EFG(Edge-defined Film-fed Growth)，日本NCT已试做出最大直径为6英寸(150mm)的晶圆，直径为2英寸(50mm)的晶圆已经开始销售作研究开发方向的用途。这种工艺的特点是良品率高、成本低廉、生长速度快、生长晶体尺寸大。

另一家Flosfia使用的“雾化法”已制作出4英寸(100mm)的α相晶圆，成本已接近于硅。而碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)材料目前只能使用“气相法”进行制备，未来成本也将继续受到衬底高成本的阻碍而难以大幅度下降。对于Ga2O3来说，高质量与大尺寸的天然衬底，相对于目前采用的宽禁带SiC与GaN技术，将具备独特且显著的成本优势。

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GaO与SiC成本对比（EE POWER）

Ga2O3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，Ga2O3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。

如此看来，GaO很有可能在尺寸方面，即大规模制造的可能性和成本方面对上述造成后来者居上的威胁。

氧化镓需要面对的挑战

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。

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。这让下游客户的技术和产品开发受到极大限制，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。
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Ga2O3 SBD已可实现量产，业界仍对Ga2O3的未来产生质疑。

新产品的导入需要时间：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。

虽然业界多方认为Ga2O3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Ga2O3将会在未来3-5年释放惊人的潜力。

第四代半导体领域竞赛已然拉开帷幕

据市场调查公司富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约人民币92.76亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大。

实际上，氧化镓并不是很新的技术，一直以来都有公司和研究机构对其在功率半导体领域的应用进行钻研。但受限于材料供应被日本两家公司垄断，研究受到比较大的阻碍，相关研发工作的风头都被后二者抢去。在全球范围内，日本在氧化镓晶体材料研究以及相关功率器件研究方面处于领先地位，日本Flosfia、日本NCT两家企业是全球领先的氧化镓供应商。

其中早在2011年，日本田村制作所就开发出使用氧化镓基板的GaN类LED元件。然而2020年9月，据日本媒体报道，日本经济产业省(METI)正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

随着电动车和便携式用电的需求成为主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已经明显在第四代半导体的氧化镓材料方面处于领先优势，日本半导体界也将Ga2O3作为日本半导体产业“复兴的钥匙”，已在国内掀起研发和应用的热潮。与此同时，美国、中国、欧洲等也正在试图追赶，可以想到的是，美日双方从材料供应到技术合作必然要比中日合作更加深入，这场功率器件竞赛已然拉开帷幕，而中国将可能独自前行。