氧化鎵VS碳化硅，誰是未來十年的主角？新一代半導(dǎo)體材料的崛起，讓我國半導(dǎo)體行業(yè)有了彎道超車的機(jī)會，而在帶著“終極半導(dǎo)體”光環(huán)的第四代半導(dǎo)體賽道上，國內(nèi)企業(yè)進(jìn)展究竟如何呢？

強(qiáng)勢崛起的第四代半導(dǎo)體

隨著2018年特斯拉采用碳化硅（SiC）、2020年小米在快充上使用氮化鎵開始，第三代半導(dǎo)體經(jīng)過三四十年的發(fā)展終于獲得市場認(rèn)可迎來發(fā)展機(jī)遇。此后，第三代半導(dǎo)體在新能源車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域快速發(fā)展開來，并逐漸從熱門場景向更多拓展場景探索。

而在第三代半導(dǎo)體發(fā)展得如火如荼之際，氧化鎵、氮化鋁、金剛石等第四代半導(dǎo)體材料也開始受到關(guān)注，金剛石更因擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等特性，被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，而被稱作“終極半導(dǎo)體”。

但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學(xué)問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）之后最具市場潛力的材料，很有可能在未來10年左右稱霸市場。

氧化鎵 (Ga2O3 ）是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，是被國際普遍關(guān)注并認(rèn)可已開啟產(chǎn)業(yè)化的第四代半導(dǎo)體材料。與碳化硅、氮化鎵相比，氧化鎵基功率器件具備高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特點(diǎn)。此前被用于光電領(lǐng)域的應(yīng)用，直到2012年開始，業(yè)內(nèi)對它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究單位都在朝著該方向發(fā)展。

氧化鎵晶圓

當(dāng)前，半導(dǎo)體材料可以分為四代，第一、二、三、四代半導(dǎo)體材料各有利弊，在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，但不可否認(rèn)的是，中國在第一、二代半導(dǎo)體的發(fā)展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業(yè)占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面，中國與世界領(lǐng)先水平之間都存在著明顯的差距。

而在第四代半導(dǎo)體領(lǐng)域，我國氧化鎵的研究則更集中于科研領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程剛剛起步，但是進(jìn)展飛速，我國科技部于2022年將氧化鎵列入“十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”，讓第四代半導(dǎo)體獲得更廣泛關(guān)注。

最具效率的半導(dǎo)體材料

隨著量子信息、人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體新體系及其微電子等多功能器件技術(shù)也在更新迭代。雖然前三代半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)發(fā)展，但也已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出無法滿足新需求的問題，特別是難以同時(shí)滿足高性能、低成本的要求。

此背景下，人們將目光開始轉(zhuǎn)向擁有小體積、低功耗等優(yōu)勢的第四代半導(dǎo)體。第四代半導(dǎo)體具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性、良好的導(dǎo)電性以及發(fā)光性能，在功率半導(dǎo)體器件、紫外探測器、氣體傳感器以及光電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達(dá)到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個(gè)市場規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大。

氧化鎵的結(jié)晶形態(tài)截至目前已確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種。其中，β相最穩(wěn)定。β-Ga2O3的禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強(qiáng)高達(dá)8 MV/cm。

巴利加優(yōu)質(zhì)是低損失性能指標(biāo)，β-Ga2O3的巴利加優(yōu)質(zhì)高達(dá)3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時(shí)，元件的導(dǎo)通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低器件的導(dǎo)通損耗。

氧化鎵半導(dǎo)體特性

中國科學(xué)院院士郝躍曾指出，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的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。但氧化鎵目前的研發(fā)進(jìn)度還不夠快，仍需不懈努力。

進(jìn)展迅速的科研領(lǐng)域

日本在氧化鎵研究上是最前沿的。2012年日本報(bào)道了第一顆氧化鎵功率器件，2015年推出了高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底、2016年推出了同質(zhì)外延片，此后，基于氧化鎵材料的器件研究成果開始爆發(fā)式出現(xiàn)。

而我國氧化鎵的研究則更集中于科研領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程剛剛起步階段。去年底，美國舊金山召開的第68屆國際電子器件大會（IEEE IEDM）上，中國科大國家示范性微電子學(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（高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測器）被大會接收。

龍世兵課題組基于氧化鎵異質(zhì)PN結(jié)的前期研究基礎(chǔ)，將異質(zhì)結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于氧化鎵肖特基二極管。該研究通過合理設(shè)計(jì)優(yōu)化JTE區(qū)域的電荷濃度，確保不影響二極管正向特性的同時(shí)最大化削弱肖特基邊緣電場，從而有效提高器件的耐壓能力。

而在中國科技部將氧化鎵列入“十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”之前，浙大杭州科創(chuàng)中心就在2022年5月宣布采用新技術(shù)路線成功制備2英寸 (50.8 mm）的氧化鎵晶圓，而使用這種具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)生長的2英寸氧化鎵晶圓在國際上為首次。

承載希望的本土第四代半導(dǎo)體企業(yè)

在產(chǎn)業(yè)化落地方面，氧化鎵材料以中電科四十六所、山東大學(xué)、深圳進(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。

值得注意的是，進(jìn)化半導(dǎo)體方面表示，正在開發(fā)6英寸的氧化鎵材料，今年應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)2英寸材料的小批量供應(yīng)。而北京銘鎵半導(dǎo)體有限公司（簡稱“銘鎵半導(dǎo)體”）使用導(dǎo)模法成功制備了高質(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)性實(shí)驗(yàn)，成為國內(nèi)首個(gè)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。

新湖中寶參股公司富加鎵業(yè)專注于寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料的研發(fā)，已經(jīng)初步建立了氧化鎵單晶材料設(shè)計(jì)、熱場模擬仿真、單晶生長、晶圓加工等全鏈路研發(fā)能力，推出2寸及以下規(guī)格的氧化鎵UID（非故意摻雜）、導(dǎo)電型及絕緣型產(chǎn)品。

藍(lán)曉科技為氧化鋁企業(yè)提供拜耳母液提鎵技術(shù)和運(yùn)營服務(wù)，客戶使用公司吸附分離技術(shù)所提取鎵產(chǎn)品通常為4N（純度99.99％以上，雜質(zhì)總含量小于100ppm），銷售給下游精鎵企業(yè)。中國西南電子公司西電電力持股陜西半導(dǎo)體先導(dǎo)技術(shù)中心，該中心有進(jìn)行氧化鎵、金剛石半導(dǎo)體、石墨烯、AIN等化合物半導(dǎo)體、化合物集成電路等創(chuàng)新性科研成果的轉(zhuǎn)化。

我國已經(jīng)在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域取得一定成績

值得一提的是在第四代半導(dǎo)體冒頭的當(dāng)下，我國第三代半導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入收獲期。以第三代半導(dǎo)體龍頭三安光電為例，旗下湖南三安車規(guī)級和工業(yè)級SiC功率半導(dǎo)體在2022年出貨突破1億顆，新進(jìn)訂單及長期供應(yīng)協(xié)議累計(jì)金額超65億，其SiC產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)在汽車、工業(yè)、光伏等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。

而湖南三安的二期擴(kuò)產(chǎn)工程正在建設(shè)當(dāng)中，預(yù)計(jì)今年底完成，全面達(dá)產(chǎn)后將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)50萬片6英寸SiC晶圓。不僅如此，湖南三安與理想汽車合資打造斯科半導(dǎo)體，將進(jìn)行碳化硅功率模塊的共同開發(fā)，預(yù)計(jì)將年產(chǎn)240萬只SiC半橋功率模塊。

隨著產(chǎn)能的釋放，我國企業(yè)有望在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域獲得一定話語權(quán)，并為第四代半導(dǎo)體材料的研發(fā)和落地提供經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。

崛起之路并非坦途

從第三代半導(dǎo)體開始，我國在半導(dǎo)體新材料上的布局和進(jìn)展就相當(dāng)迅速，但市場話語權(quán)的爭斗始終是殘酷的。

2022年8月，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布公告，稱出于國家安全考慮，將四項(xiàng)“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”納入新的出口管制。這四項(xiàng)技術(shù)分別是：能承受高溫高電壓的第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石；專門用于3nm及以下芯片設(shè)計(jì)的ECAD軟件；可用于火箭和高超音速系統(tǒng)的壓力增益燃燒技術(shù)。

盡管BIS并沒有直接提到中國，但中國現(xiàn)在屬于被美國列為國家安全管控的國家之一，只要技術(shù)和物項(xiàng)被美國政府列入出口管制目錄，大概率就會對中國的出口設(shè)置限制，比如美國企業(yè)對華出口需要許可證等，這實(shí)際上會造成中美在半導(dǎo)體領(lǐng)域里進(jìn)一步脫鉤。

第四代半導(dǎo)體全球競爭壓力不小

而除美國方面小動(dòng)作不斷外，日本同樣也看好第四代半導(dǎo)體材料，并投入巨大資源支持本國相關(guān)企業(yè)發(fā)展。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省很早就為致力于開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學(xué)提供財(cái)政支持，其在2021年留出大約2030萬美元的扶持資金，并預(yù)計(jì)未來5年的投資額將超過8560萬美元。

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省認(rèn)為，日本公司將能夠在本世紀(jì)20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應(yīng)基于氧化鎵的半導(dǎo)體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。

2011年，京都大學(xué)投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”?，F(xiàn)在，兩家公司都是日本氧化鎵研發(fā)的中堅(jiān)企業(yè)，必須強(qiáng)調(diào)的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產(chǎn)GaO材料及器件的企業(yè)，整個(gè)業(yè)界已經(jīng)呈現(xiàn)出“All Japan”的景象。

面對外部競爭的壓力，我國企業(yè)想要在第四代半導(dǎo)體行業(yè)獲得足夠的話語權(quán)并不容易，第四代半導(dǎo)體材料核心難點(diǎn)本身在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價(jià)值，這也是我們的突破點(diǎn)。

借用進(jìn)化半導(dǎo)體公司CEO許照原的話來講，“碳化硅用了40年時(shí)間發(fā)展，氧化鎵則僅用了10年，踩著碳化硅腳印前進(jìn)的氧化鎵很有可能有類似的發(fā)展行徑：先在市場門檻較低的快充和工業(yè)電源領(lǐng)域落地，后在汽車領(lǐng)域爆發(fā)。氧化鎵在十年內(nèi)已取得重大進(jìn)展，眼看離產(chǎn)業(yè)只差一步之遙，但針對材料制備和相關(guān)性質(zhì)研究仍然不夠系統(tǒng)和深入，若想統(tǒng)治未來，掌握現(xiàn)在這十年將是關(guān)鍵！”