中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)融媒體記者 杜壯

以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展在新能源汽車等領(lǐng)域風(fēng)頭正勁之時，一種更耐高溫耐高壓、支持更大功率、能耗更低的新一代化合物半導(dǎo)體材料——氧化鎵走進(jìn)業(yè)界視線。短短4-5年時間，氧化鎵已經(jīng)出現(xiàn)了高質(zhì)量的襯底和外延片，發(fā)展速度飛快。

如今，手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品變得越來越智能、越來越小巧，新能源汽車?yán)m(xù)航越來越持久，這背后都要歸功于半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的快速發(fā)展。為滿足日益增長的多元需求，半導(dǎo)體從以硅、鍺為代表的第一代材料，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代材料，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代材料，發(fā)展到以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體材料。從第一代半導(dǎo)體材料到第四代半導(dǎo)體材料，禁帶寬度逐漸變大，可以更好地適應(yīng)極端環(huán)境。

由于半導(dǎo)體市場對功率密度更高、損耗更低、成本更低、性能更好的功率器件愈加青睞，氧化鎵脫穎而出。那么，與碳化硅相比，氧化鎵有何優(yōu)勢？資本為何頻頻關(guān)注？氧化鎵何時能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化？

技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化駛?cè)肟燔嚨?/h1>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?，尤其是日本。?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。

無銥制備氧化鎵，PK碳化硅的時點即將到來

對于同一種材料，不能“既要便宜，也要性能好”，只能通過開發(fā)新一代材料來突破新的性能和成本瓶頸。氧化鎵的出現(xiàn)讓進(jìn)化半導(dǎo)體CEO許照原頗為驚喜。一次偶然的機(jī)會，讓他開始關(guān)注氧化鎵的性能并開始組建團(tuán)隊進(jìn)行研發(fā)。

功率半導(dǎo)體應(yīng)用，主要是圍繞耐壓、電流、功率、損耗、散熱幾個方面進(jìn)行評估?！皬牟牧咸匦詠砜?，氧化鎵擁有10倍于碳化硅的功率特性優(yōu)勢，但是成本有潛力做到碳化硅的1/10?！痹S照原說，與碳化硅一樣，氧化鎵適用于高功率、大電壓領(lǐng)域。相比碳化硅，氧化鎵在性能和成本上更具優(yōu)勢。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為195美元，約為碳化硅材料器件成本的1/5，與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。此外，氧化鎵的晶圓產(chǎn)線與硅、碳化硅、氮化鎵的差別不大，轉(zhuǎn)換成本不高。以目前業(yè)界的評估來說，氧化鎵的芯片產(chǎn)線改造難度不大，比如將LED的工廠稍加轉(zhuǎn)換就可以開始投入生產(chǎn)。

這么好的材料，為什么走出實驗室的速度較慢？談及原因，許照原解釋，因為氧化鎵是在高溫含氧環(huán)境下生長，需要用到耐高溫、耐氧化的材料，制備晶體普遍采用銥金作為坩堝材料，產(chǎn)業(yè)界對采用這種貴金屬才能制備的材料短期內(nèi)挑戰(zhàn)碳化硅的地位抱有懷疑態(tài)度。

值得注意的是，目前，進(jìn)化半導(dǎo)體、日本東北大學(xué)，都開發(fā)了不使用銥金的“無銥工藝”制備氧化鎵，浙江大學(xué)在研發(fā)相比導(dǎo)模法用銥量大幅減少的“少銥工藝”，都在努力嘗試降低氧化鎵成本的創(chuàng)新方法。多點發(fā)力給了產(chǎn)業(yè)界信心，認(rèn)為氧化鎵與碳化硅競爭的時點即將到來。

近日，進(jìn)化半導(dǎo)體完成近億元A輪融資，融資資金將主要用于持續(xù)研發(fā)投入和團(tuán)隊擴(kuò)充。作為國內(nèi)目前唯一采用無銥法工藝制備氧化鎵的公司，許照原表示，進(jìn)化半導(dǎo)體未來三年將實現(xiàn)氧化鎵襯底的大幅度降價，新工藝有望實現(xiàn)8英寸襯底成本低至500元，僅為同尺寸SiC襯底的1/10。

談及如何制備氧化鎵，目前市面上主要有導(dǎo)模法（EFG法）和無銥法等方法。導(dǎo)模法是當(dāng)前唯一能制造大尺寸氧化鎵襯底的工藝，但是無法實現(xiàn)低成本大批量的產(chǎn)業(yè)化供應(yīng)。事實上，盡管導(dǎo)模法為產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，但是這種工藝方法的產(chǎn)業(yè)化遇到了較大的障礙，主要是因為導(dǎo)模法需要用到貴金屬銥（Ir）。在業(yè)界看來，導(dǎo)模法的工藝極限，是可以把氧化鎵襯底成本做到同尺寸碳化硅的50%-60%，按現(xiàn)在的發(fā)展速度，達(dá)到產(chǎn)業(yè)鏈成熟、氧化鎵量產(chǎn)應(yīng)用的時間點大概是10年以后。無銥法則可以大大提速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

許照原表示，在設(shè)備投入僅5%的情況下，同樣時間可以生長一爐次，無銥法制備氧化鎵的產(chǎn)量是EFG法的100倍，大幅度降低長晶環(huán)節(jié)的成本，顯著提升了產(chǎn)能，有機(jī)會快速形成市場影響。當(dāng)然技術(shù)逐步成熟還需要努力和沉淀，但可以預(yù)見，無銥法有利于提高各環(huán)節(jié)企業(yè)熱情，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈更加完備。

“摸著碳化硅過河”

目前致力于氧化鎵研發(fā)的高校和科研院所越來越多，但做襯底的研究團(tuán)隊相對要少，創(chuàng)業(yè)企業(yè)更少。由于材料研發(fā)投入大、周期長、門檻高，幾乎沒有技術(shù)積累的企業(yè)，很難做出成果。

剛剛實現(xiàn)氧化鎵材料制備的進(jìn)化半導(dǎo)體，正在開啟新的階段。許照原打了個比方：“如果我們把做器件、做應(yīng)用比作炒飯，那前提是你得有米，之前這個米想把它種出來都非常困難，也就沒辦法大規(guī)模應(yīng)用。目前一個比較大的突破是，我們找到了低成本制造氧化鎵材料的可能。”在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的過程中，進(jìn)化半導(dǎo)體計劃，一方面要滿足客戶需求，實現(xiàn)送樣和小批量供應(yīng)；另一方面，繼續(xù)做更大尺寸材料的研發(fā)，為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用做好準(zhǔn)備，實現(xiàn)商務(wù)和研發(fā)兩條腿走路。

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。

“碳化硅摸著石頭過河，氧化鎵摸著碳化硅過河。碳化硅發(fā)展了40年，氧化鎵用了不到10年的工夫就已經(jīng)發(fā)展到了接近于碳化硅發(fā)展35年左右的進(jìn)度?！睂τ谘趸壍奈磥恚S照原信心滿滿，他認(rèn)為一旦第四代半導(dǎo)體襯底可以產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模供應(yīng)，將引領(lǐng)下游的芯片、模組、系統(tǒng)集成等整個產(chǎn)業(yè)鏈開始聯(lián)動，生產(chǎn)出性能更好、品種更多樣、價格更有優(yōu)勢的產(chǎn)品，為各個領(lǐng)域的應(yīng)用都帶來質(zhì)的飛躍。不僅有突破國外封鎖的重大社會效益，更可為我國帶來千億級的經(jīng)濟(jì)效益。