國內首個！6英寸氧化鎵單晶實現產業化！都有哪些優勢？

近日，杭州鎵仁半導體有限公司宣布，公司聯合浙江大學杭州國際科創中心先進半導體研究院、硅及先進半導體材料全國重點實驗室。

采用自主開創的鑄造法，成功制備了高質量6英寸非故意摻雜及導電型氧化鎵單晶，并加工獲得了6英寸氧化鎵襯底片。完全自主產權 中國第四代半導體新突破！6英寸氧化鎵單晶實現產業化。杭州鎵仁半導體，也成為國內首個掌握6英寸氧化鎵單晶襯底制備技術的產業化公司。

據介紹，氧化鎵因其優異的性能和低成本的制造，成為目前最受關注的超寬禁帶半導體材料之一，被稱為第四代半導體材料。

該材料主要用于制備功率器件、射頻器件及探測器件，在軌道交通、智能電網、新能源汽車、光伏發電、5G移動通信、國防軍工等領域，均具有廣闊應用前景。


1、氧化鎵有哪些性能優勢？

氧化鎵作為第四代材料代表，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性好（幾乎是碳化硅的10倍）、材料生長成本低等優勢。業界認為，未來，氧化鎵極有可能成為高功率、大電壓應用領域的主導者。

上述表格橫向對比了氧化鎵與碳化硅、氮化鎵的各項性能差異。可以看出，它的各項性能指標較碳化硅以及氮化鎵有著顯著的優勢。其中最后兩項數據中，BFOM是衡量器件的高功率性能，JFOM是衡量射頻性能。氧化鎵的這兩項數據遠遠高于碳化硅、氮化鎵。因此氧化鎵從材料本質來說，是適合于高功率以及高頻應用的，例如可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發電等領域在能源方面的消耗。

目前已發現的氧化鎵擁有5種同質異形體，材料性質各有千秋。目前研究比較多的是β相（熱穩定性最佳，禁帶寬度~4.8eV），而α相（高禁帶寬度~5.3eV）和ε相（極化率十倍于氮化鎵，適合于高電子遷移率晶體管）方面的研究也逐漸增加。

所以從材料屬性來說，氧化鎵是一種很有希望的超寬禁帶材料。氧化鎵的優勢不僅是材料性能高，更重要的是成本較低。2019年有研究結論提出，氧化鎵的制造成本較硅略有提高，和碳化硅相比僅有它的三分之一。當然這一點從目前的技術看還無法實現。

現階段，氧化鎵材料及應用技術處于研發階段成果向商業化應用轉化的關鍵階段，當下氧化鎵還有諸多技術瓶頸待突破，如：由于高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備較難實現，不完善的上下游市場相關配套設施等。目前業界各方都在攻堅克難，爭取早日領先突破。


2、氧化鎵前景可期，誰在加碼？

業界資料顯示，目前氧化鎵市場主要由兩家日本廠商NCT和Flosfia壟斷。NCT業界聞名，其由日本國立通信院NICT與田村制作所Tamura聯合成立2012年，NICT發表了首個單晶β-氧化鎵晶體管，擊穿電壓大于250V。同年，NCT突破了2英寸氧化鎵晶體與外延技術，隨后于2014年實現了氧化鎵材料的量產；2017年與田村制作所合作成功開發出全球首創氧化鎵MOS型功率電晶體，大幅降低功耗，僅為傳統MOSFET千分之一；2019年開發出2英寸β型氧化鎵晶圓，不過，由于制造成本高昂，未能被廣泛應用，僅限于實驗室研發；2021年，NCT成功量產4英寸氧化鎵晶圓，并于近年開始供應客戶晶圓，使得日本在第三代化合物半導體競賽中再度拔得頭籌。

值得注意的是，日本田村于2019年實現4英寸氧化鎵的批量產業化，同年該公司還突破了6英寸氧化鎵材料技術。目前的產業進度已有6英寸導模法襯底+6英寸HVPE外延+4英寸晶圓。業界消息顯示，NCT計劃在2023年供應6英寸晶圓。

Flosfia則由日本京都大學孵化，股東涵蓋三菱重工、豐田汽車子公司電裝和日本開發銀行等。2017年高公司實現了低成本α-氧化鎵材料的突破，2018年實現了α-氧化鎵外延材料的量產。據稱2022年量產600V 10A SBD、2023年將年產10萬顆器件供給豐田新能源車。

我國來看，中電科46所于2014年前后開始研發氧化鎵，2016年率先完成制作國內首片2英寸氧化鎵單晶，2018年制備國內首片4英寸氧化鎵單晶，率先完成了由零至一的突破。

今年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；此外，今年3月媒體報道，西安郵電大學在超寬禁帶半導體研究上取得重要進展，該校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量的氧化鎵外延片；今年2月，媒體報道中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授課題組聯合中科院蘇州納米所加工平臺，分別采用氧氣氛圍退火和氮離子注入技術，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管。去年12月，銘鎵半導體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術突破，成為國內首個掌握第四代半導體氧化鎵材料4英寸相單晶襯底生長技術的產業化公司。

總體來看，我國仍以數十家科研院所為主要研發力量，此外，部分企業（銘鎵半導體、鎵族科技、富加鎵業、利瀧半導體、進化半導體等）也在加碼。