第四代半导体氧化镓，被忽略的商机

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三菱电机公司于7月30日宣布，它已入股Novel Crystal Technology, Inc.（以下简称“NCT”），一家开发和销售氧化镓晶圆的日本公司。以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，凭借耐高温、抗高压、开关速度快、效率高、节能、寿命长等特点，近年来业界热度一路飙升。然而，在宽禁带半导体材料发展势如破竹的同时，学术界和科研界不约而同地展望下一代半导体材料——氧化镓（Ga₂O₃），并将其视为“替代碳化硅和氮化镓”的新一代半导体材料的代表。三菱电机早已在碳化硅领域布局多年，近年来其在室内空调、高速铁路、车载应用等领域成效明显，产能也在不断扩大。随着氧化镓材料及应用技术逐步从研发阶段向商业化应用转化，业界认为，氧化镓未来极有可能成为高功率、大电压应用领域的主导者。基于此，三菱电机也正式出手了。三菱电机表示，现在期望通过将其在量损耗、高可靠性功率半导体的设计和制造方面的专业知识与Novel Crystal Technology在镓生产方面的专业知识相结合，加速其节能氧化镓功率半导体的开发。氧化镓科普，有哪些性能优势？氧化镓作为第四代材料代表，具备禁带宽度大（4.8 eV）、临界击穿场强高（8MV/cm）、导通特性好（几乎是碳化硅的10倍）、材料生长成本低等优势。业界认为，未来，氧化镓极有可能成为高功率、大电压应用领域的主导者。上述表格横向对比了氧化镓与碳化硅、氮化镓的各项性能差异。可以看出，它的各项性能指标较碳化硅以及氮化镓有着显著的优势。其中最后两项数据中，BFOM是衡量器件的高功率性能，JFOM是衡量射频性能。氧化镓的这两项数据远远高于碳化硅、氮化镓。因此氧化镓从材料本质来说，是适合于高功率以及高频应用的，例如可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。目前已发现的氧化镓拥有5种同质异形体，材料性质各有千秋。目前研究比较多的是β相（热稳定性最佳，禁带宽度~4.8eV），而α相（高禁带宽度~5.3eV）和ε相（极化率十倍于氮化镓，适合于高电子迁移率晶体管）方面的研究也逐渐增加。所以从材料属性来说，氧化镓是一种很有希望的超宽禁带材料。氧化镓的优势不仅是材料性能高，更重要的是成本较低。2019年有研究结论提出，氧化镓的制造成本较硅略有提高，和碳化硅相比仅有它的三分之一。当然这一点从目前的技术看还无法实现。现阶段，氧化镓材料及应用技术处于研发阶段成果向商业化应用转化的关键阶段，当下氧化镓还有诸多技术瓶颈待突破，如：由于高熔点、高温分解以及易开裂等特性，大尺寸氧化镓单晶制备较难实现，不完善的上下游市场相关配套设施等。目前业界各方都在攻坚克难，争取早日领先突破。氧化镓前景可期，谁在加码？业界资料显示，目前氧化镓市场主要由两家日本厂商NCT和Flosfia垄断。NCT业界闻名，其由日本国立通信院NICT与田村制作所Tamura联合成立2012年，NICT发表了首个单晶β-氧化镓晶体管，击穿电压大于250V。同年，NCT突破了2英寸氧化镓晶体与外延技术，随后于2014年实现了氧化镓材料的量产；2017年与田村制作所合作成功开发出全球首创氧化镓MOS型功率电晶体，大幅降低功耗，仅为传统MOSFET千分之一；2019年开发出2英寸β型氧化镓晶圆，不过，由于制造成本高昂，未能被广泛应用，仅限于实验室研发；2021年，NCT成功量产4英寸氧化镓晶圆，并于近年开始供应客户晶圆，使得日本在第三代化合物半导体竞赛中再度拔得头筹。值得注意的是，日本田村于2019年实现4英寸氧化镓的批量产业化，同年该公司还突破了6英寸氧化镓材料技术。目前的产业进度已有6英寸导模法衬底+6英寸HVPE外延+4英寸晶圆。业界消息显示，NCT计划在2023年供应6英寸晶圆。Flosfia则由日本京都大学孵化，股东涵盖三菱重工、丰田汽车子公司电装和日本开发银行等。2017年高公司实现了低成本α-氧化镓材料的突破，2018年实现了α-氧化镓外延材料的量产。据称2022年量产600V 10A SBD、2023年将年产10万颗器件供给丰田新能源车。我国来看，中电科46所于2014年前后开始研发氧化镓，2016年率先完成制作国内首片2英寸氧化镓单晶，2018年制备国内首片4英寸氧化镓单晶，率先完成了由零至一的突破。今年2月，中国电科46所宣布成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶；此外，今年3月媒体报道，西安邮电大学在超宽禁带半导体研究上取得重要进展，该校电子工程学院管理的新型半导体器件与材料重点实验室陈海峰教授团队成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片；今年2月，媒体报道中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台，分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。去年12月，铭镓半导体完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，成为国内首个掌握第四代半导体氧化镓材料4英寸相单晶衬底生长技术的产业化公司。总体来看，我国仍以数十家科研院所为主要研发力量，此外，部分企业（铭镓半导体、镓族科技、富加镓业、利泷半导体、进化半导体等）也在加码。

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