智芯研報｜第四代半導體GaO將在未來3-5年釋放驚人潛力

2021年7月6日 11:33
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智芯研報｜第四代半導體GaO將在未來3-5年釋放驚人潛力的圖1
過去一年里，我們看到隨著市場對半導體性能的要求不斷提高，及各種利好政策相繼出臺，第三代半導體等新型化合物材料憑借其性能優(yōu)勢嶄露頭角，迎來了產(chǎn)業(yè)爆發(fā)風口。
在第三代半導體萬眾矚目的時刻， 第四代半導體也正逐漸進入我們的視線 。
伴隨當前量子信息、可再生能源、人工智能等高新技術(shù)的迅速涌現(xiàn)和發(fā)展，半導體新體系及其微電子、光電子、磁電子、熱電子等多功能器件技術(shù)持續(xù)催生。雖然前三代經(jīng)典半導體技術(shù)持續(xù)發(fā)展，但已經(jīng)漸漸呈現(xiàn)出難以滿足新需求的問題，特別是 難以同時滿足高性能、低成本的苛刻要求 。
一、各種材料加工至芯片的全周期對比
1. 各材料的襯底對比（標藍為更有優(yōu)勢）
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2. 襯底制造環(huán)節(jié)的分析
從上表可以看出，
（1） 晶片尺寸 ：三種材料目前的尺寸基本相當，即單片襯底的芯片產(chǎn)出相差不大（GaO器件做成垂直器件相對會更小，此處差異忽略不計）。SiC已有8寸單晶襯底、GaN（自支撐）目前有4寸量產(chǎn)產(chǎn)品，6寸樣品剛進入市場，未量產(chǎn)暫時未考慮。
（2） 設備投入 （晶體生長爐+坩堝+晶體加工設備）：GaO設備投入每條產(chǎn)線投入約350萬，SiC設備投入每條產(chǎn)線550萬，GaN設備投入每條產(chǎn)線800萬。
（3） 生產(chǎn)效率 ：GaO每月可產(chǎn)出8爐，年產(chǎn)80爐，可產(chǎn)800片，邊角料短期內(nèi)還可切成10mm * 10mm的小片銷售給科研單位研究用，每爐100片，年產(chǎn)8000片小片。SiC每月可產(chǎn)4爐，年產(chǎn)40爐，可產(chǎn)400片，不能按小片銷售，且良率按30%算約為120片。GaN自支撐襯底產(chǎn)量更小。
在材料學領(lǐng)域，一般以2100℃作為晶體生長的分界線，低于此溫度可以使用常規(guī)的設備，一旦工藝溫度超過該界限，則需使用加熱、保溫等完全不同的材料體系，即完全不同的特殊設備，價格要比常規(guī)設備高出數(shù)倍。PVT-SiC晶體生長溫度高達2400℃，且跟GaN一樣，無法通過可視化窗口觀察生長過程進行控制，因此設備價格、加工能耗、良品率都較低，導致這兩種襯底材料成本高企不下。而GaO的襯底成本約為SiC的1/3~1/5，具有明顯的成本優(yōu)勢。液相法SiC解決了PVT法不可視良率低、需要高溫、缺陷密度高、只能做N型的問題，實現(xiàn)高良率、低能耗、高品質(zhì)、可生產(chǎn)P型等效果，即低成本、高品質(zhì)襯底產(chǎn)品將進入市場競爭，預計將對PVT-SiC造成巨大的市場沖擊，但同時也會極大促進SiC產(chǎn)品的應用，可能會對GaO市場推動也帶來一定影響。
關(guān)于液相SiC和無銥GaO這兩種優(yōu)勢技術(shù)來說，需要補充的是：
① 晶體
液相SiC長成的晶體為正六方型，即使達到6寸，也只能切成4寸使用，造成很大的浪費，尺寸越大浪費越多。
無銥GaO晶體是圓柱形，可直接切成同直徑圓盤。
② 成本
預計當技術(shù)成熟時，即良率相同的情況下，碳化硅比氧化鎵的成本至少貴30%，而且尺寸越大，成本差距越明顯，氧化鎵優(yōu)勢越大。
③ 優(yōu)勢
目前液相SiC技術(shù)尚處在實驗室階段，從理論上看，該技術(shù)生成的SiC晶體質(zhì)量會更高，不僅位錯降一個數(shù)量級，而且因成品率提高（液相SiC天然較氣相SiC成品率高），使得成本差不多相較當前的氣相法SiC能降50%。而且與無銥GaO一樣的是，尺寸越大成本降低越明顯。
④ 瓶頸
液相SiC技術(shù)有一些需要克服的關(guān)鍵工藝問題。該技術(shù)使用溶液法，核心原理是使用了助溶劑，通過助溶劑中材料的析出實現(xiàn)降低熔點的目的，該技術(shù)下工藝溫度為1700~1800℃，而此前由于SiC材料在溫度還未達到熔點融化就升華了。日本、國內(nèi)某研究所以及我國某創(chuàng)業(yè)公司的技術(shù)路線基本相同，未來主要區(qū)別在于技術(shù)細節(jié)的把控和對下列問題的解決：
一是生產(chǎn)中爐內(nèi)缺乏可視系統(tǒng)，導致成品率無法保證，尤其是籽晶接觸液面缺乏探測手段，籽晶很薄只有1毫米，過淺尚未接觸無法結(jié)晶，過深沒入液面無法生長，需要特殊的控制手段。
二是溶劑，碳在溶劑里面溶解度很低，如果超出就形成碳簇，會圍繞碳簇形成多晶，導致生產(chǎn)失敗，因此工藝上對熱場和流場的要求很高，需要穩(wěn)定和合理的工藝控制技術(shù)。
三是該技術(shù)SiC同樣長不厚，僅幾毫米厚，一般不超過10mm，還要留出3mm以上做下一爐生產(chǎn)的籽晶，因此實際生產(chǎn)效率提高不多，后續(xù)研發(fā)需要解決的關(guān)鍵問題是如何繼續(xù)長厚，而且大規(guī)模生產(chǎn)中還需要開發(fā)自動配料系統(tǒng)，持續(xù)穩(wěn)定供應合適的溶液。
 3. 外延及芯片制造階段的對比
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4. 外延及芯片加工階段的分析
從上表可以看出，
（1）SiC、GaN的外延生長設備成本就明顯要高出GaO材料數(shù)倍，且因為外延時間較短，thc?tepi，即升溫、降溫的時間要遠遠大于實際外延生長時間，所以幾種材料外延的速度差異并不明顯，而且由于各家技術(shù)有差異，用途不同的外延也有些許差別，此處不做更深入的比較。目前各種材料的外延技術(shù)較為成熟，可以滿足市場的需求。
（2）芯片加工階段，由于GaO、SiC可以使用垂直結(jié)構(gòu)，所以同等規(guī)格下，芯片面積較小，為便于比較，暫時忽略這種優(yōu)勢，三種材料在功率芯片加工過程的成本差異不大。
綜上，可以看出，GaO器件最終成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有獨特的競爭優(yōu)勢。
二、氧化鎵的熱導率和遷移率低不構(gòu)成應用的問題
1. 熱導率問題
我們認為，業(yè)界普遍因GaO的低熱導率對其實際應用前景感到擔憂，這可能是做材料開發(fā)的科研人員不太熟悉器件或做器件的科研人員產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗不足導致的。實際上，半導體功率器件應用中所涉及到的熱問題，要細分為三部分來分析：產(chǎn)熱，耐熱，散熱。
（1）產(chǎn)熱
功率器件，主要有驅(qū)動損耗、開關(guān)損耗和導通損耗三個部分的損耗帶來的，損耗越低，效率就越高，而決定這幾種損耗的關(guān)鍵指標就分別是Qg、Coss和Ron，所以降低損耗的關(guān)鍵是降低這幾個指標。
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圖 功率器件損耗組成
Ron，即On-resistance導通電阻，主要是與材料的特性決定。業(yè)界看好GaO、SiC、GaN在功率領(lǐng)域的應用前景，也因為這幾種材料的Ron極低，可以大幅度降低導通損耗。SiC的導通電阻是Si產(chǎn)品的1/6，而GaO的導通電阻是SiC的1/6，在導通損耗方面具有很大優(yōu)勢。
Qg，即Total Gate Charge 總柵電荷，反映了對器件驅(qū)動的電流需求，可以理解為需要在柵極充電建立電場需要的驅(qū)動能力，關(guān)系到器件的開關(guān)損耗。Qg 小，意味著驅(qū)動損耗小，整個開關(guān)的頻率就可以做到很高。一般把Qg歸入到開關(guān)損耗當中。
Coss越大，引起的EMI就越小。反之，Coss越小就越容易產(chǎn)生EMI的問題。但是，在硬開關(guān)的過程中，Coss又不能太大，因為Coss儲存的能量將在器件開通的過程中，放電釋放能量，將產(chǎn)生更多的功耗降低系統(tǒng)的整體效率，同時在開通過程中，產(chǎn)生大的電流尖峰。對于橋式電路來說（特別當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標非常關(guān)鍵。最好能使Coss值較低，且線性化更好，以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復帶來的損耗和噪音，增大能量轉(zhuǎn)換效率，便于提高開關(guān)工作頻率?；旧蟻碚f，開關(guān)損耗是主要由Cgd決定，即gate 到drain的電容。而Coss等于Cgd+Cds，所以，是可以做到Cgd很?。〒p耗很?。?而Coss并不?。梢杂斜容^大的Cds）。碳化硅MOSFET寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%，這也是為什么SiC可以高頻工作。
對于功率器件來說，Ron是一個關(guān)鍵指標，導通電阻越低，其損耗越小，產(chǎn)生的熱量越少，從而有效控制溫升。
（2）耐熱
耐熱對于功率器件來說，主要是以為器件特性隨著溫度的變化而變化。如硅基功率器件，因Si材料特性限制，隨著結(jié)溫升高，本征載流子濃度急劇升高，導致載流子遷移率下降，閾值電壓隨溫度降低，漏電流也急劇增大，所以一般要在結(jié)溫175℃以下才能正常工作，而GaO、SiC、GaN理論上可以工作在300℃以上。GaO在使用SiC異質(zhì)結(jié)工藝，當環(huán)境溫度升高到500 K時，開-關(guān)比幾乎不隨溫度變化，而Ron僅增加了14%，若使用同質(zhì)外延，Ron增加36%。
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圖（a）在GaOISiC和GaOISi MOSFET中，開-關(guān)比幾乎不隨溫度變化，而在GaO-on- GaO器件中，開-關(guān)比隨溫度變化很大。（b）隨著環(huán)境溫度（Tamb）升高到500 K，GaOISiC和GaOISi MOSFET的導通電阻（Ron）增大了14％，這一數(shù)字遠低于GaO-on- GaO器件。
參考文獻[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， 材料耐高溫的特性進一步使得低熱導率在應用中不會產(chǎn)生實質(zhì)影響。
（3）散熱
既然材料產(chǎn)熱少，又耐熱，那么對散熱的要求就會降低，如果在封裝環(huán)節(jié)也充分考慮到Die的散熱，就可以進一步降低材料低熱導率帶來的影響。
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圖：采用芯片倒裝封裝降低熱效應（AFRL）
這可能也是為什么Flosfia推出的SBD并沒有采用特殊封裝的原因。
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圖 Flosfia推出的GaO SBD（Flosfia官網(wǎng)）
綜上所述，我們總結(jié)為“GaO的低熱導率問題可以視為科研上的問題，而不應該構(gòu)成應用上的問題?！?
2. 遷移率
作為晶體管性能指標的溝道遷移率，需要達到實用化標準（200 cm2/V·s）才具有應用價值。半導體器件的遷移率簡單分析，主要包含了體遷移率和溝道遷移率兩個方面。其中體遷移率主要跟材料本身特性相關(guān)，溝道遷移率與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)。如果在射頻方面應用，對遷移率要求很高，在這一點上，GaO的性能目前確實是不如GaN有優(yōu)勢的，GaN在射頻方面的應用還會持續(xù)擴張。
表 各材料的不同遷移率
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（研究數(shù)據(jù)來源：西電大學周弘、中山大學何亮）
3. Huang優(yōu)值（HMFOM）下的材料比較
（1）Huang優(yōu)值：
根據(jù)A. Huang教授的理論研究，單極型功率器件的功耗損耗最小值（包含導通損耗與開關(guān)損耗）與 智芯研報｜第四代半導體GaO將在未來3-5年釋放驚人潛力的圖9 成反比，由此提出HMFOM，用以評估應用在功率器件領(lǐng)域的電子材料。而另外一種也為人熟知的Baliga優(yōu)值，則只考慮了低頻應用中器件的導通損耗，沒有考慮開關(guān)損耗，使得其具有一定的局限性。
（2）不同材料的對比：
下表中我們對比了幾種常見材料的HMFOM，GaO的HMFOM是硅材料的12.4倍，分別是GaN和SiC的1.4和2倍。
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4. 產(chǎn)業(yè)化考慮：低成本，滿足性能要求
功率器件作為現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)中一種重要的功能元器件，在電網(wǎng)、汽車、家電、軌道交通、IT、工業(yè)、航空航天、國防等領(lǐng)域有著極為廣泛的下游應用，因此其產(chǎn)品品質(zhì)、性能的穩(wěn)定性對下游客戶極為重要，下游客戶對于供應商有較為嚴格的認證條件和流程，如汽車行業(yè)認證需要1-2年。
同時，第三代和第四代半導體功率器件同作為新興產(chǎn)品，客戶在應用時會采用更為嚴格的認證手段以保證自身產(chǎn)品的穩(wěn)定性和公司品牌不會受到影響。因此，能否成功打入某個下游領(lǐng)域、某個知名客戶，不止有利于基于新半導體材料的功率器件廠商維持穩(wěn)定的客戶關(guān)系、銷售規(guī)模，還對其在后續(xù)的產(chǎn)品推廣至關(guān)重要。
而產(chǎn)業(yè)化除了上述的性能、穩(wěn)定性要求是基礎(chǔ)門檻，達到應用標準后，下游客戶最關(guān)注的無疑是一致性、成本和產(chǎn)能，也即大規(guī)模應用的可能性。GaO的性能優(yōu)異，目前產(chǎn)品型號在逐步推出，預計未來的成本將低至硅基GaN產(chǎn)品甚至可能更低，對客戶有很強的應用誘惑，因此未來幾年將是產(chǎn)品推出、測試、試用、認證的關(guān)鍵時期。
5. 結(jié)論
綜上，可以看出，GaO的低熱導率、低遷移率，可作為未來數(shù)年業(yè)界進行科研的主攻方向，突破這些問題將能夠大幅度提高人們對GaO的應用預期，推動GaO的產(chǎn)業(yè)化進度，但其實這些參數(shù)并不會實際上影響當前GaO導入實際應用的價值。
三、氧化鎵應用的動力與阻力
1. 動力
（1）單極器件取代雙極器件的機遇
功率器件發(fā)展和應用的訴求極為清晰，從誕生的那一刻起，就有如下要求：
①　降低產(chǎn)品的重量、體積
②　減少電力轉(zhuǎn)換過程中的損耗
③　降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期
④　降低產(chǎn)品的失效率，提升產(chǎn)品的可靠性
因此，提高可靠性、降低成本、提升功率密度和開關(guān)頻率，以使產(chǎn)品適應更多新興發(fā)展方向是功率器件不變的追求。而市場極為碎片化，也可以讓多代產(chǎn)品依照其功能、價格特點，依舊保持共存局面。
當前在高壓、高功率領(lǐng)域應用的功率器件以IGBT為主。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是20世紀80年代后期發(fā)展起來的，IGBT是功率MOSFET和BJT的復合。功率MOSFET的特點是驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快；BJT的特點是通態(tài)壓降小、載流能力大，所以IGBT集中了BJT和MOSFET的優(yōu)點，具有很好的抗擊穿性。但是由于IGBT的雙極特性（電子和空穴均參與導電），使得該器件在關(guān)閉過程中存在較長的拖尾時間，極大的影響了該器件的工作頻率，一般為低于20kHz，最高也不過40-50kHz，開通關(guān)斷導致的損耗會比較大，這是其相對于MOSFET的明顯劣勢，加之IGBT的價格遠高于MOSFET，所以低壓、小功率的環(huán)境下MOSFET使用更為廣泛，高壓、大功率的情況下IGBT更為適用。
目前第三代半導體的火爆，就是因為新的材料體系可以在高壓、大功率情況下采用單極器件，即使用SiC MOSFET、GaN HEMT、GaO FET，取代硅基的IGBT，除了產(chǎn)品可靠性、電流能力、成本下降空間尚需要一定時間驗證外，幾乎全面實現(xiàn)了前面所提到功率器件發(fā)展的所有訴求。而大規(guī)模制造和應用會帶來成本和售價的降低，從而繼續(xù)鞏固市場主流技術(shù)地位，這也是超/寬禁帶半導體應用的前景。在單極器件剛剛導入上述市場的階段，技術(shù)路線尚未定型，具備諸多優(yōu)勢的新材料將迎來嶄新的機遇。
而GaO既能做高耐壓，也可實現(xiàn)大電流能力，相較于當前SiC器件過流能力不超過200A的規(guī)格限制，可達到數(shù)百A甚至上千A，性能優(yōu)秀且成本更低，在大功率應用（如電力）當中可直面挑戰(zhàn)IGBT上千甚至數(shù)千A的霸主地位。
（2）易做大尺寸量產(chǎn)
從第一節(jié)的對照表中可以看出，GaO材料尺寸發(fā)展快速，短短幾年時間已經(jīng)追上了SiC和GaN當前最大尺寸，在量產(chǎn)經(jīng)濟性上已經(jīng)達到了標準，同等加工能力的晶圓加工產(chǎn)線可以實現(xiàn)同等甚至更大規(guī)模的產(chǎn)量。而且，GaO成本極低，這就可以讓器件研發(fā)成本更低、可以有充分的試錯空間，使開發(fā)和應用都更有效率。
（3）可靠性好
SiC器件與硅基MOSFET類似，也是垂直器件，使用與MOSFET相同的柵極氧化物材料（二氧化硅SiO2），但SiC器件在更高的內(nèi)部電場下工作。因此，柵極氧化物材料在實際工作中壽命會因時變電介質(zhì)擊穿（TDDB）機制而縮短，即當經(jīng)過一段時間損耗后柵極氧化物會被擊穿?，F(xiàn)在應用中是采用老化測試+篩選的方式規(guī)避該問題。同時，SiC還有閾值電壓不穩(wěn)定的問題，這是由偏置溫度不穩(wěn)定（BTI）的失效機制所引起，而BTI即是晶體管的退化現(xiàn)象。而對GaN器件而言，動態(tài)導通電阻是最大的問題，具有1mΩ規(guī)格的GaN器件在野外工作100小時后，可能變成10mΩ。此外，GaN一般是在異質(zhì)襯底上生長，所以會有嚴重的晶格失配問題，長期可靠性也是目前業(yè)界普遍的顧慮。
GaO材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3個數(shù)量級，這在芯片加工中可以規(guī)避很多問題，而且由于是同質(zhì)外延，器件不會像GaN一樣出現(xiàn)晶格失配問題。
2. 阻力
雖然GaO材料具有諸多優(yōu)點，大規(guī)模應用還是有一定的阻力，相信在日后都可一一克服。
（1）襯底及外延大規(guī)模推廣時間業(yè)界存疑
目前襯底市場為日本的NCT公司所壟斷，雖然該公司已能提供2~4寸產(chǎn)品，但是定價極為昂貴，僅10mm*15mm的小尺寸襯底售價高達6000~8000元，做上外延更是高達2萬~10萬元，說是比賣軍火還暴利也不為過。這讓下游客戶的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)受到極大限制，而國內(nèi)研究十數(shù)年尚無形成供貨能力，業(yè)界對國內(nèi)廠家何時能夠提供物美價廉的襯底和外延產(chǎn)品普遍持悲觀態(tài)度。這就需要有一家或若干家企業(yè)先形成供應能力，從源頭上給下游企業(yè)供應鏈保障，并大幅度降低成本，激發(fā)下游企業(yè)的研發(fā)動力。
（2）P型材料制備與應用
作為一款半導體材料，若想大規(guī)模應用一般是需要P型和N型共同存在，形成PN結(jié)從而參照Si的器件結(jié)構(gòu)和工藝直接制造MOS、IGBT等多種器件，可以有廣泛的市場應用。然而GaO目前僅有N型材料，這就讓其未來的應用潛力充滿不確定性，業(yè)界唯恐器件開發(fā)受到材料限制成為一條斷頭路，所以盡管當前GaO SBD已可實現(xiàn)量產(chǎn)，業(yè)界仍對GaO的未來產(chǎn)生質(zhì)疑。
根據(jù)筆者的調(diào)研和訪談，復旦大學的方志來老師已經(jīng)通過創(chuàng)新的工藝方式實現(xiàn)了GaO的P型半導體制備，并且載流子濃度達到1.0×1011/cm3～1.0×1016/cm3 達到了實用水平，正在進行產(chǎn)業(yè)化準備階段，一旦實現(xiàn)了PN結(jié)，相信全球業(yè)界將徹底爆發(fā)研發(fā)的激情。
此外，值得期待的是，當前已有多種方法可以規(guī)避P型GaO材料即可制造MOS。包括
美國的AFRL用水平結(jié)構(gòu)電子積累型晶體管、
美國的康奈爾大學采用金屬-絕緣體-半導體(MIS)結(jié)的方式制作MOS，
美國俄亥俄州立大學用調(diào)制摻雜場效應晶體管、
美國加州大學布法羅分校采用SU-8即環(huán)氧聚合物鈍化構(gòu)造MOS、
日本的NCT雙柵極溝道控制垂直鰭型晶體管、
日本的Flosfia使用P型半導體α-Ir2O3氧化銥搭配α-GaO制作MOS，
意大利帕爾馬大學打算利用ε-GaO與GaN結(jié)合制作HEMT，
都可以實現(xiàn)器件耐壓超過2000V，電流超過10A，使器件可以應用在新能源車、充電樁（也適用快充）、工業(yè)電源等領(lǐng)域，有廣泛應用的市場前景（這些領(lǐng)域主要應用650V，1200V，1700V耐壓等級）。
（3）器件產(chǎn)品型號覆蓋應用規(guī)模尚小
功率半導體應用十分廣泛，因此TOP廠家都有成千上萬的SKU型號以滿足各行業(yè)客戶選型需求，難以用一款爆品支撐市場。然而目前第三代半導體主要應用在快充（GaN）、新能源車及充電樁（SiC）以及光伏等領(lǐng)域，型號集中在幾種規(guī)格就可以獲取巨大的市場份額，也吸引了大量中小廠商試圖切入市場。但是這幾種市場各有特點，都需要時間形成性能和成本匹配的替代產(chǎn)品，以及通過行業(yè)內(nèi)的嚴苛認證，這也意味著新產(chǎn)品的導入需要不短的時間。
① 快充 ：該市場廣泛采用8英寸的GaN-on-silicon 產(chǎn)品，這類產(chǎn)品雖然可靠性較低，但是屬于消費品市場，對產(chǎn)品成本和性能較為敏感，切入的是中高端產(chǎn)品，對產(chǎn)品規(guī)格要求較低，市場容量大、導入速度快，當前已有不小的應用規(guī)模，替代需要更優(yōu)的性能和價格才能打動客戶。而且GaN賣點主要是終端產(chǎn)品體積小、功率密度大，因此有些廠家如Navitas已經(jīng)把driver等周邊器件與GaN功率器件集成為SIP，這也要求GaO未來也需要推出同等產(chǎn)品才能適配方案，這進一步加大了市場準入的門檻。
② 汽車 ：該市場正在積極導入的是SiC SBD和MOS，通過特斯拉Model 3 的帶動性作用，以及國內(nèi)在充電樁等市場前期的鋪墊，現(xiàn)在諸多車廠紛紛將SiC導入產(chǎn)業(yè)鏈，通過合作開發(fā)或股權(quán)投資，加強與掌握SiC芯片及模塊技術(shù)企業(yè)的合作，試圖盡早實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。但是汽車產(chǎn)業(yè)鏈對芯片的可靠性要求極高，因此對芯片及供應鏈各方面質(zhì)量的驗證時間較長，而且還要圍繞芯片進行配套的系統(tǒng)開發(fā)，產(chǎn)品導入時間超過三年甚至五年。
這就需要設置合理化的市場路線，從易到難，并行推進，需要人力、物力、財力的不斷支持，全周期有持續(xù)的產(chǎn)品推出，充分測試和驗證，從而形成產(chǎn)品和技術(shù)的正循環(huán)，加速導入汽車產(chǎn)業(yè)鏈。
（4）既有量產(chǎn)線一般不愿意調(diào)整產(chǎn)品
量產(chǎn)的芯片加工線已經(jīng)形成穩(wěn)定的生產(chǎn)和營收，只有在實驗線上進行了技術(shù)驗證，并且市場已經(jīng)有足夠的需求，量產(chǎn)線才有可能考慮調(diào)整生產(chǎn)新產(chǎn)品，而且還需要對一些工藝環(huán)節(jié)的設備進行調(diào)整，以免造成交叉污染，這對已經(jīng)量產(chǎn)的工藝線都是很大的風險。因此，預計GaO的市場化路徑應該是從初創(chuàng)企業(yè)的中試線導入，之后配合地方政策支持新建量產(chǎn)線，或采用技術(shù)合作方式承包已有產(chǎn)能的工藝線，而不是從現(xiàn)有量產(chǎn)線進行改造。
綜上，GaO有著優(yōu)異的性能和成本優(yōu)勢，在當前單極器件替代雙極器件的歷史機遇下，可以通過技術(shù)手段規(guī)避材料弱點，推出高品質(zhì)、低成本的高功率SBD和MOS，通過合理的市場規(guī)劃和融資，能夠?qū)a(chǎn)品快速推向市場，在五年內(nèi)覆蓋市場大部分的應用場景，從低端產(chǎn)品到高端產(chǎn)品，逐步實現(xiàn)對IGBT等高能耗、高價格產(chǎn)品的替代。
四、創(chuàng)業(yè)企業(yè)需掌握的核心競爭力
1. 高品質(zhì)籽晶
材料企業(yè)無法快速從零到一的突破，就在于高品質(zhì)的籽晶需要不斷的培養(yǎng)優(yōu)化，才能提高材料品質(zhì)，達到用戶的需求標準。
2. 知識產(chǎn)權(quán)
半導體材料技術(shù)大部分在工藝段，因此既需要適當?shù)募夹g(shù)保密，也需要一定的知識產(chǎn)權(quán)保護，知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)容設計是考驗企業(yè)是否真正掌握技術(shù)的內(nèi)在標準。
3. 設備的拆裝和設計
只有掌握了設備的構(gòu)造，才能進行合理的優(yōu)化，既形成基于設備的know-how，聯(lián)動性越強，對于知識產(chǎn)權(quán)保護越有力。同時，自行設計的設備造價一般是市場常規(guī)設備的1/3~1/5，因此可以進一步節(jié)約成本，在研發(fā)和量產(chǎn)階段都能具有更明顯的成本優(yōu)勢。
4. 材料理解和熱場設計
熱場設計是晶體生長的核心技術(shù)，是研發(fā)人員在無數(shù)次的實驗中形成對材料各方面特性的模擬和仿真，是晶體生長領(lǐng)域的數(shù)字孿生。這就要求一方面團隊對材料有足夠的了解，一方面也要逐步構(gòu)造數(shù)字化研發(fā)體系，用全新的AI技術(shù)幫助技術(shù)的迭代和演進。
5. 市場理解與行業(yè)資源
半導體材料環(huán)節(jié)是基礎(chǔ)科學技術(shù)的轉(zhuǎn)化，向來是國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的薄弱環(huán)節(jié)，周期長、風險大，除了人員、資金、設備等顯而易見的門檻，其實對創(chuàng)始團隊的市場理解和行業(yè)資源也要求極高。技術(shù)背景和市場思維的充分結(jié)合，才能設置合理的發(fā)展目標，找到最適合的切入點，既能保證技術(shù)和產(chǎn)品得到驗證，也可以獲得足夠的利潤保障公司生存和發(fā)展。只有在行業(yè)中摸爬滾打多年的團隊，才有足夠的行業(yè)資源，找到并引進合適的人才加強研發(fā)能力，同時快速接觸客戶實現(xiàn)市場轉(zhuǎn)化，當然不可或缺的就是融資能力，有足夠的投資機構(gòu)渠道以及投資人思維的換位思考，對融資流程、條款、取舍都需要足夠的認知才能保證發(fā)展的平穩(wěn)。此外，由于材料生產(chǎn)是重資產(chǎn)投入型產(chǎn)業(yè)，必然要依賴政府的支持才能以小博大，擴大生產(chǎn)規(guī)模，這也對團隊對政府訴求有清晰的認識，在對接、談判中形成共同的利益目標，各取所需，成功落實合作。
五、總結(jié)
雖然業(yè)界多方認為GaO的低遷移率和低熱導率會影響其應用導入，缺少P型材料會限制其發(fā)展，但是目前已有多種方法規(guī)避、改善這些問題，甚至一些問題并不構(gòu)成實質(zhì)的阻礙。因此，基于用戶對功率密度更高、損耗更低、成本更低、性能更好的功率器件的渴求，我們相信GaO將會在未來3-5年釋放驚人的潛力。
參考文獻
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2.Cree展示4英寸零微管SiC襯底（華強電子網(wǎng)）
3.美、歐、日專家眼中的氧化鎵市場（半導體材料行業(yè)分會）
4.理解MOSFET開關(guān)損耗和主導參數(shù)（維科網(wǎng)）
5.第三代半導體 GaN 功率開關(guān)器件的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)（ 何亮，劉揚，電源學報）
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，方志來）
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，方志來）
| 來源：祥峰投資 任剛
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