第四代半導體材料呼之欲出 —— 氧化鎵或將站上C位

電子產品世界

2021年10月15日 10:52

一般來說，半導體材料是制作半導體器件和集成電路的電子材料，是半導體工業的基礎。迄今為止，半導體材料主要分為：基于Ⅳ族硅Si、鍺Ge元素的第一代半導體；基于Ⅲ-Ⅴ族砷化鎵、磷化銦的第二代半導體以及基于Ⅲ-Ⅴ族氮化鎵、Ⅳ族碳化硅的第三代半導體等。

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勢嶄露頭角，迎來了產業爆發風口。

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。

半導體材料的發展之路

第一代的半導體材料：以硅(Si)、鍺(Ge)為代表

在半導體材料的發展歷史上，1990年代之前，作為第一代的半導體材料以硅材料為主占絕對的統治地位。目前，半導體器件和集成電路仍然主要是用硅晶體材料制造的，硅器件構成了全球銷售的所有半導體產品的95％以上。硅半導體材料及其集成電路的發展導致了微型計算機的出現和整個信息產業的飛躍。
第二代半導體材料：以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表

隨著以光通信為基礎的信息高速公路的崛起和社會信息化的發展，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料嶄露頭角，并顯示其巨大的優越性。砷化鎵和磷化銦半導體激光器成為光通信系統中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也加速了光纖及移動通信新產業的發展。主要應用領域為光電子、微電子、微波功率器件等。
第三代半導體材料：以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表

以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導體材料，具備高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優異性能，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景，有望突破傳統半導體技術的瓶頸。

第四代半導體材料：以氧化鎵(Ga2O3)為代表

第四代半導體材料主要是以金剛石(C)、氧化鎵(GaO)、氮化鋁(AlN)為代表的超寬禁帶(UWBG)半導體材料，禁帶寬度超過4eV，以及以銻化物(GaSb、InSb)為代表的超窄禁帶(UNBG)半導體材料。在應用方面，超寬禁帶材料會與第三代材料有交疊，主要在功率器件領域有更突出的特性優勢；而超窄禁帶材料，由于易激發、遷移率高，主要用于探測器、激光器等器件的應用。

然而，需要注意的是，這四代半導體之間并不是迭代關系，它們的應用場景有交叉，但不完全重合。

隨著量子信息、人工智能等高新技術的發展，半導體新體系及其微電子等多功能器件技術也在更新迭代。雖然前三代半導體技術持續發展，但也已經逐漸呈現出無法滿足新需求的問題，特別是難以同時滿足高性能、低成本的要求。

相比其他半導體材料，第四代半導體材料擁有體積更小、能耗更低、功能更強等優勢，可以在苛刻的環境條件下能夠更好地運用在光電器件、電力電子器件中。

目前具有發展潛力成為第四代半導體技術的主要材料體系主要包括：窄帶隙的銻化鎵、銦化砷化合物半導體；超寬帶隙的氧化物材料；其他各類低維材料如碳基納米材料、二維原子晶體材料等。

氧化鎵材料的特性

作為新型的寬禁帶半導體材料，氧化鎵(Ga2O3)由于自身的優異性能，憑借其比第三代半導體材料SiC和GaN更寬的禁帶，在紫外探測、高頻功率器件等領域吸引了越來越多的關注和研究。

氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結晶形態截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩定。β-Ga2O3的禁帶寬度為4.8～4.9eV，擊穿場強高達8MV/cm。

第四代半導體材料呼之欲出 —— 氧化鎵或將站上C位的圖7

半導體材料特性

氧化鎵在光電子器件方面有廣闊的應用前景，被用作于Ga基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統應用領域，而其在未來的功率、特別是大功率應用場景才是更值得期待的。

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、Ga2O3 FET，取代硅基的IGBT，除了產品可靠性、電流能力、成本下降空間尚需要一定時間驗證外，幾乎全面實現了前面所提到功率器件發展的所有訴求。而大規模制造和應用會帶來成本和售價的降低，從而繼續鞏固市場主流技術地位，這也是超/寬禁帶半導體應用的前景。

而Ga2O3既能做高耐壓，也可實現大電流能力，相較于當前SiC器件過流能力不超過200A的規格限制，可達到數百A甚至上千A，性能優秀且成本更低，在大功率應用(如電力)當中可直面挑戰IGBT上千甚至數千A的霸主地位。

第四代半導體材料呼之欲出 —— 氧化鎵或將站上C位的圖8

關鍵材料(Si/SiC/GaN/GaO)特性對比（IEEE）

相關統計數據顯示，從數據上看，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，即在SiC比Si已經降低86%損耗的基礎上，再降低86%的損耗，這讓產業界人士對其未來有很高的期待。

此外，GaO材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3個數量級，這在芯片加工中可以規避很多問題，而且由于是同質外延，器件不會像GaN一樣出現晶格失配問題。

而成本更是讓其成為一個吸引產業關注的另一個重要因素。從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構成來看，基于GaO材料的器件成本為195美金，是SiC材料器件成本的約五分之一，已與硅基產品的成本所差無幾。

GaO和藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀(Bulk)單結晶狀態。實際上，通過運用與藍寶石晶圓生產技術相同的導模法EFG(Edge-defined Film-fed Growth)，日本NCT已試做出最大直徑為6英寸(150mm)的晶圓，直徑為2英寸(50mm)的晶圓已經開始銷售作研究開發方向的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低廉、生長速度快、生長晶體尺寸大。

另一家Flosfia使用的“霧化法”已制作出4英寸(100mm)的α相晶圓，成本已接近于硅。而碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)材料目前只能使用“氣相法”進行制備，未來成本也將繼續受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對于Ga2O3來說，高質量與大尺寸的天然襯底，相對于目前采用的寬禁帶SiC與GaN技術，將具備獨特且顯著的成本優勢。

第四代半導體材料呼之欲出 —— 氧化鎵或將站上C位的圖9

GaO與SiC成本對比（EE POWER）

Ga2O3材料尺寸發展快速，短短幾年時間已經追上了SiC和GaN當前最大尺寸，在量產經濟性上已經達到了標準，同等加工能力的晶圓加工產線可以實現同等甚至更大規模的產量。而且，Ga2O3成本極低，這就可以讓器件研發成本更低、可以有充分的試錯空間，使開發和應用都更有效率。

如此看來，GaO很有可能在尺寸方面，即大規模制造的可能性和成本方面對上述造成后來者居上的威脅。

氧化鎵需要面對的挑戰

雖然GaO材料具有諸多優點，大規模應用還是有一定的阻力，相信在日后都可一一克服。

襯底及外延大規模推廣時間業界存疑：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。這讓下游客戶的技術和產品開發受到極大限制，業界對國內廠家何時能夠提供物美價廉的襯底和外延產品普遍持悲觀態度。這就需要有一家或若干家企業先形成供應能力，從源頭上給下游企業供應鏈保障，并大幅度降低成本，激發下游企業的研發動力。
P型材料制備與應用：作為一款半導體材料，若想大規模應用一般是需要P型和N型共同存在，形成PN結從而參照Si的器件結構和工藝直接制造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，業界唯恐器件開發受到材料限制成為一條斷頭路，所以盡管當前Ga2O3 SBD已可實現量產，業界仍對Ga2O3的未來產生質疑。

新產品的導入需要時間：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)以及光伏等領域，型號集中在幾種規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品，以及通過行業內的嚴苛認證，這也意味著新產品的導入需要不短的時間。

雖然業界多方認為Ga2O3的低遷移率和低熱導率會影響其應用導入，缺少P型材料會限制其發展，但是目前已有多種方法規避、改善這些問題，甚至一些問題并不構成實質的阻礙。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Ga2O3將會在未來3-5年釋放驚人的潛力。

第四代半導體領域競賽已然拉開帷幕

據市場調查公司富士經濟于2019年6月5日公布的Wide Gap功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1085億日元，約人民幣65.1億元）還要大。

實際上，氧化鎵并不是很新的技術，一直以來都有公司和研究機構對其在功率半導體領域的應用進行鉆研。但受限于材料供應被日本兩家公司壟斷，研究受到比較大的阻礙，相關研發工作的風頭都被后二者搶去。在全球范圍內，日本在氧化鎵晶體材料研究以及相關功率器件研究方面處于領先地位，日本Flosfia、日本NCT兩家企業是全球領先的氧化鎵供應商。

其中早在2011年，日本田村制作所就開發出使用氧化鎵基板的GaN類LED元件。然而2020年9月，據日本媒體報道，日本經濟產業省(METI)正準備為致力于開發新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業和大學提供財政支持，METI將為明年留出大約2030萬美元的資金，預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。

隨著電動車和便攜式用電的需求成為主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已經明顯在第四代半導體的氧化鎵材料方面處于領先優勢，日本半導體界也將Ga2O3作為日本半導體產業“復興的鑰匙”，已在國內掀起研發和應用的熱潮。與此同時，美國、中國、歐洲等也正在試圖追趕，可以想到的是，美日雙方從材料供應到技術合作必然要比中日合作更加深入，這場功率器件競賽已然拉開帷幕，而中國將可能獨自前行。