三菱電機入局最強半導體，氧化鎵將在10年后打敗第三代半導體

三菱電機公司于7月30日宣布，它已入股Novel Crystal Technology, Inc.（以下簡稱“NCT”），一家開發(fā)和銷售氧化鎵晶圓的日本公司。

以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料，憑借耐高溫、抗高壓、開關速度快、效率高、節(jié)能、壽命長等特點，近年來業(yè)界熱度一路飆升。然而，在寬禁帶半導體材料發(fā)展勢如破竹的同時，學術界和科研界不約而同地展望下一代半導體材料——氧化鎵（Ga?O?），并將其視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導體材料的代表。

三菱電機早已在碳化硅領域布局多年，近年來其在室內(nèi)空調(diào)、高速鐵路、車載應用等領域成效明顯，產(chǎn)能也在不斷擴大。隨著氧化鎵材料及應用技術逐步從研發(fā)階段向商業(yè)化應用轉(zhuǎn)化，業(yè)界認為，氧化鎵未來極有可能成為高功率、大電壓應用領域的主導者。基于此，三菱電機也正式出手了。

三菱電機表示，現(xiàn)在期望通過將其在量損耗、高可靠性功率半導體的設計和制造方面的專業(yè)知識與Novel Crystal Technology在鎵生產(chǎn)方面的專業(yè)知識相結合，加速其節(jié)能氧化鎵功率半導體的開發(fā)。


世界最強半導體——氧化鎵

氮化鎵的性能已是出類拔萃，但是它還不是最強的。世界最強半導體材料就目前的指標而言，是氧化鎵。

氧化鎵的禁帶寬公開報道是4.9eV，砷化鎵的禁帶寬為1.6eV，氮化鎵是3.36eV。另據(jù)報道，硅的禁帶寬為1.1eV，如果干癟的數(shù)字不好比較，那我們就打一個比方：假如4.9eV與3.36eV相差的是一英里的話，那么4.9eV與1.1eV的距離就是一個馬拉松。

然而報道中的氧化鎵4.9eV的禁帶寬并不是它的實際數(shù)據(jù)，因為在當時實驗室條件下還無法探測氧化鎵禁帶寬度邊界。對于半導體材料禁帶寬檢測，一般在為15到20微米半導體材料上進行，由于氧化鎵能力強，這么大的面積根本無法檢測到邊界，因此降至600納米，探到的數(shù)值為近5eV，但據(jù)推算，當時實驗內(nèi)部可能達到8eV，而且這還不是它的邊界。也就是說，在禁帶寬度方面，氮化鎵與氧化鎵的距離有好幾個馬拉松。2017年時，美國空軍研究實驗室還展示了1千兆赫時，脈沖射頻功率輸出密度超過每毫米500毫瓦的情況，最大振蕩頻率接近20千兆赫。表明氧化鎵的JFOM明顯優(yōu)于氮化鎵。

在實驗中，氧化鎵在使用過程中幾乎沒有能量損耗，而且好像一直于開啟狀態(tài)。這可能源于柵極-漏極間隙通常只有15到20微米，這讓它的寄生電阻很小，小到可以忽略。2017年的時候，氧化鎵的耐壓試驗已達600伏，這個電壓，氮化鎵用了二十多年。

但是想要做第四代中最強的半導體，單有禁帶寬與耐高壓是不夠的。

氧化鎵可以通過摻雜的方法，在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導電性。而且這個摻雜與硅材料摻雜有極大相似性。對于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動。對于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來添加電子。這個方法只有氧化鎵能做，像其它的四代半導體金剛石等則會引起電荷卡死，提高不良率。

氧化鎵還有一個特性是其它半導體材料不具備的。那就是它的晶棒也可以用硅材料生成化制造，這有利于大幅度降低氧化鎵的生產(chǎn)成本。氧化鎵目前有三種形態(tài)，分別是β、ε、α。其中β-氧化鎵具備良好的熱穩(wěn)定性，因此可以使用大量的商業(yè)技術來制造，包括用于制造硅片的提拉法。也可以使用“邊緣定義、薄膜饋電晶體生長”技術來生產(chǎn)β-氧化鎵晶圓。甚至可以使用可高度擴展的垂直坩堝下降技術生長晶體。

氧化鎵后面這兩個特性很重要，這讓它可借用各種各樣的既有商業(yè)光刻和加工技術。這兩點，其它半導體做不到，包括氮化鎵。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導體必須生長在另一種材料盤中，比如氮化鎵通常依靠復雜的工藝在硅、碳化硅、藍寶石基底上生長，由于基底的晶體結構明顯不同于氮化鎵的晶體結構，這種差異會造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產(chǎn)生大量缺陷。這樣芯片的良率下降，而且生產(chǎn)成本也大幅上升。

以上優(yōu)點墊成了氧化鎵是現(xiàn)有半導體材料中最強的。但是氧化鎵而有一個其它所有半導體材料沒有的特性，它可以用于量子力學，其原因就是氧化鎵是一種透明導電氧化物。這意味著氧化鎵在用于量子計算機、量子通訊、量子雷達方面比其它半導體材料更具優(yōu)勢。就此一點，也是最強半導體。當然，這是在新的半導體材料未出現(xiàn)之前。


產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的機遇

1、功率器件不遵循摩爾定律演進，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來長時間窗口機遇

集成電路器件在制造工藝層面的發(fā)展主要包括尺寸依賴的先進工藝和非尺寸依賴的特色工藝兩大方向。在縱向的先進工藝中，器件特征尺寸的縮小、工作電壓的降低以及開關頻率的提高等成為業(yè)界追求目標。在橫向的特色工藝中，器件結構的多樣化，芯片在不同場景下如何承受高電壓、輸出高電流、提高電路線性特征和降低噪聲等特征參數(shù)成為主要發(fā)展方向。氧化鎵未來主要應用在肖特基二極管、功率MOSFET 等功率半導體領域，屬于特色工藝制造，對材料質(zhì)量、制備工藝及器件結構強依賴，對晶體管溝道長度無明顯微縮要求，一般使用 0.18-0.5μm 制程，器件演進無需追趕摩爾定律給氧化鎵發(fā)展帶來長時間窗口機遇。


2、氧化鎵高性能和低成本優(yōu)勢疊加，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來趕超新機遇

（1）從材料器件性能角度看，氧化鎵禁帶寬度約為 4.9 eV，理論擊穿場強為 8 MV/cm，氧化鎵的更寬禁帶可承受比硅、碳化硅、氮化鎵更強的電場，對功率器件抗高壓和小體積帶來顯著競爭優(yōu)勢。

（2）從材料器件成本角度看，在原材料環(huán)節(jié)，氧化鎵粉末價格約為 2000-3000 元 / 千克，碳化硅高純粉達上萬元 / 千克。在單晶襯底制備環(huán)節(jié)，氧化鎵單晶襯底生長周期普遍比碳化硅短，國際領先企業(yè)生產(chǎn)氧化鎵的效率比碳化硅普遍大 2 倍。若無銥熔體法技術獲得成功應用，生長效率將大幅提升。在器件環(huán)節(jié)，據(jù)測算，氧化鎵器件若實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)后，從同樣基于 6 英寸襯底的器件成本構成來看，基于氧化鎵材料的器件成本約為 8000 元，約為碳化硅器件成本的 1/4。


3、碳達峰碳中和戰(zhàn)略穩(wěn)步推進，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來歷史性機遇

與碳化硅相比，氧化鎵在原材料加工、襯底外延以及器件工作環(huán)節(jié)上具備顯著節(jié)能優(yōu)勢。

（1）原材料加工層面，氧化鎵粉末相比碳化硅粉末制備流程簡單，碳化硅粉末對純度要求高，提純難度大，將進一步增加耗能。

（2）襯底材料生長層面，據(jù)簡單測算，在良率為理想情況下，常用的導模法生長一片 4 英寸氧化鎵襯底約消耗 100kW.h 電能，而物理氣相傳輸法（PVT）生長一片 4 英寸碳化硅則至少需要 300kW.h電能，且碳化硅硬度大導致晶錠在切磨拋過程中消耗的電能更大。

（3）器件工作層面，氧化鎵器件的導通特性是碳化硅的十倍，且開關損耗是碳化硅的一半，帶來氧化鎵器件更低的導通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率。氧化鎵將成為全球推動制造業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要利器。

技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化駛入快車道

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體和超寬禁帶的出現(xiàn)和發(fā)展。就功率應用來說，在其他參數(shù)相同的情況下，禁帶更寬的半導體特性會更優(yōu)。

作為超寬禁帶半導體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達到4.9eV，超過第三代半導體材料（寬禁帶半導體材料）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，國際氧化鎵技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程駛入快車道，尤其是日本。據(jù)了解，日本企業(yè)正在加緊推進配備在純電動汽車（EV）上的功率半導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，最終目標是全面轉(zhuǎn)向氧化鎵。

此外，日本氧化鎵領域知名企業(yè)FLOSFIA將大規(guī)模生產(chǎn)使用氧化鎵材料的功率半導體替代硅基半導體，作為行業(yè)國際領軍企業(yè)，該公司充滿信心地預計，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達到15.42億美元（約合人民幣100億元），達到碳化硅的40%，達到氮化鎵的1.56倍。據(jù)日本NCT公司預測，氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴大到約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展。3月，西安郵電大學電子工程學院管理的新型半導體器件與材料重點實驗室陳海峰教授團隊，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，中國科學技術大學微電子學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、進化半導體、中科院上海光機所、北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)等單位為主力。

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、車載充電機等車用半導體市場以及巨大的白電市場。

中國科學院院士郝躍曾表示，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。