[原创] 氧化镓将大放异彩
2021-10-01
14:00:09
来源: 半导体行业观察
在大家还在为SiC和GaN在近年的崛起欢呼的时候，一种被业内专家称为第四代半导体的材料——氧化镓（Ga
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）正在逐渐走进人们的视线。
作为一种新兴的超宽带隙导体，氧化镓拥有4.9~5.3eV的超大带隙。作为对比，SiC和GaN的带隙为3.3eV，而硅则仅有1.1eV，那就让这种新材料拥有更高的功率特性以及深紫外光电特性，再加上其热稳定性以及人工晶体衬底低成本合成，让开发者可以有望基于此开发出小型化，高效的、性价比优良的超大功率晶体管。这也许是为什么在以SiC和GaN为代表的宽带隙（WBG）半导体器件方面取得了巨大进步的时候，Ga
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仍然吸引了开发者广泛兴趣的原因。
据日本富士经济的统计显示，2016 年，氧化镓在日本市场的销售情况大概为 5 亿日元，在2020、2025、2030三个节点时间，氧化镓的市场也将会有数百倍的明显增长趋势。根据他们的观点，这种新材料的增长幅度低于发展20 多年的 SiC 材料，但是高于衬底材料还没有得到较好解决的GaN。
“毁誉参半”的新材料
作为一个被看好的替代者，氧化镓自然有其特点所在。据本土氧化镓初创企业铭镓半导体的创始人陈政委介绍，氧化镓材料主要拥有三大优势：
首先，在功率半导体特性上，其性能数倍于硅基、碳化硅和氮化镓，是制备高功率半导体电力电子器件的优选材料，“相比于其他宽禁带半导体（GaN 和 SiC）材料，其拥有更高的击穿场强（~8 MV/cm），同时，这种材料还有更低的能量损耗、更高的热稳定性和化学稳定性等优势。”陈政委一步指出。
其次，因为氧化镓的材料问题已经得到初步的解决，液相导模法的生长工艺决定其材料成本优势非常明显；第三，氧化镓在深紫外光电器件方向具备天然的性能优势，其物性稳定，几乎不受到外界环境的改变。
据一篇发表在IEEE的文章中得出结论，在对半导体至关重要的五个特性中，稳态单斜型氧化镓（即：β相氧化镓）拥有高临界电场强度，这是其最为明显的优势，有助于打造超高功率的分立型半导体器件。
可以向其添加电荷载流子也是氧化镓的另一个特性。我们也可以使用这种方式，通过一种被称为掺杂的过程提高其导电性更高。这里的掺杂就涉及向晶体中添加受控量的杂质，以控制半导体中电荷载流子的浓度。例如在硅中，您可以使用离子注入，然后进行退火，以便在晶体中掺杂磷（添加自由电子）或硼（减去它们），进而使电荷可以在其中自由移动。同样，在氧化镓上，同样可以用类似的方式添加电子。
但正如陈政委所说，氧化镓虽然有性能优势明显，但也有其明显的短板所在。如：氧化镓的导热系数不高，使用存在器件稳定性的问题；氧化镓本征为N 型半导体材料，对于氧化物而言，解决 P 型掺杂问题相对比较困难。这正是研究者或者产业者把氧化镓看作一种“毁誉参半”材料的原因。
即使如此，业界统一认知，这并不是限制氧化镓研究和产业化的问题，而是逐步需要解决的瓶颈问题，因而还是有很多团队持续投入到这个新技术的研究上。自2012年日本获得2英寸氧化镓材料以来，历经了多年发展，氧化镓材料以及氧化镓基光电及功率器件业已得到初步的验证，正在逐步产业化发展。同时在这个发展过程中，人们还为氧化镓的未来做了更多的设想。
据陈政委介绍，氧化镓在电力电子器件如肖特基二极管和场效应晶体管、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极、信息存储器、气敏传感器、光催化等领域中展现出巨大的应用前景，是一种极具应用潜力的多功能超宽禁带半导体材料。
日美欧中涌入其中
目前，全球的多地的研发人员均对其都产生了浓烈的兴趣。
陈政委也告诉记者，目前国际市场上，氧化镓产品的开发竞争非常激烈，日美以及欧洲各国已经投入大量的人力物力财力，特别是日本，在氧化镓材料和器件方向都获得了令人称赞的成果，中国在氧化镓材料方向的研究，实际上开展也并不算晚，但是产业目前尚处于初级阶段，领先欧美但落后日本，在重要的功率半导体材料领域，经过中电13所、西电、中科大等一批高校院所的努力，不逊色于国外团队，但产业化发展仍需进一步突破。他同时也指出，氧化镓领域能否达到国际领先，关键在于材料是否自主生产，考虑到复杂多变的国际贸易形式，长期的外贸卡脖子必然不是长久之计，所以，材料的研发速度和产业化发展就显得非常重要。”
这个也是包括铭镓在内的多家本土厂商投入这个领域的原因。
资料显示，北京铭镓半导体有限公司已完成近亿元的天使、PreA轮融资，公司也完成2英吋氧化镓材料研发和小批量生产，3-4英吋氧化镓材料的突破，并具备加工、外延、测试等完整的链条；杭州富加镓业科技有限公司也在中科院上海光机所技术的支持下成立，剑指氧化镓材料的产业化；此外，中电46所也在氧化镓领域实现了4英吋的突破，而现阶段材料面临关键问题不在于更大尺寸的突破，而在于稳定的高质量的小尺寸（特别是2英吋）氧化镓的批量化生产，这将成为促进国内氧化镓功率半导体器件发展的重要基础。
放眼于全球，尤其以日本在氧化镓方面的发展最为领先。
早在2012 年，日本Novel Crystal Technology（下简称“NCT”）公司就实现了 2 英吋氧化镓晶体和外延的突破；2014 年，日本NCT实现 2 英吋氧化镓材料的批量产业化；2017 年，日本 FLOSFIA 实现了低成本亚稳态氧化镓（α相）材料的突破；2018 年，日本NCT实现了 4 英吋氧化镓材料的突破，日本 FLOSFIA 实现了α相氧化镓外延材料的批量化生产，2019 年日本田村实现 4 英吋氧化镓的批量产业化，同年 2019 年，日本田村实现 6 英吋氧化镓材料的突破；其中晶体原坯的厚度也是由 5mm 向 25mm 实现突破。
在这个发展过程中，日本氧化镓产业也涌现出了几个产业明星。当中尤其以NCT和FLOSFIA最为亮眼。
据介绍，NCT由日本NICT、田村制作所、日本光波株式会社和AGC公司联合成立，公司已经完成了B轮约合1.7亿人民币投资，主要的研究方向是：β相氧化镓晶体和外延材料，β相氧化镓基超高功率电力电子器件；由日本京都大学、日本电装、日本三菱重工投资成立的FLOSFIA Inc（D轮；已经完成约合4.5亿人民币投资）则是日本在该领域的另一个明星，该公司主要研究方向包括α相氧化镓外延材料，α相氧化镓基肖特基二极管和MOS管，解决氧化镓散热和P型问题，推出低成本（与硅基持平）、中低压、超低损耗的器件，首先应用在电动汽车纯电动模块和混合动力模块、快速充电桩、PFC、AC/DC转换等方面。
美国kyma公司则是这个市场的另一个参与者，该公司与美国军方合作现在已经完成1英吋氧化镓材料的研发和小批量生产。
而从整个氧化镓供应链看，从陈政委的介绍我们得知，在氧化镓基础材料方面，有日本NCT、日本 FLOSFIA、美国 kyma、中国富加镓业、中国铭镓半导体、中电46所和山东大学投入其中；氧化镓基础材料用生长设备方面除了美国 MOCVD 外延设备外，还有日本 FLOSFIA
（Mist-CVD 设备），日本第一机电等参与者；
美国海军物理实验室和中国铭镓半导体在探索氧化镓在深紫外区域的光电应用；
日本 FLOSFIA、日本NCT、中电13所、西安电子科技大学、南方科技大学和中电55所则聚焦在氧化镓功率器件器件。
综上所述，目前已经有相当的产业公司介入氧化镓材料的产业化进程，同时，在科研体系，几十家高校院所参与氧化镓项目的研究工作，积累了丰富的成果基础。我国方面因为在境内有储量丰富的镓，那就意味着可以保证行业上游的原材料充足供应。事实上，日本的氧化镓原材料部分也是从中国进口，在中国发展氧化镓产业得天独厚。由于氧化镓的优良性价比优势，在未来功率半导体器件发展过程中，氧化镓必然会大放异彩，且将涌现出更多的玩家。
“截止目前，国内大部分氧化镓材料由日本进口，价格昂贵同时贸易受限，另因处于产业中下游的器件设计和封装制造环节，国内涉足的企业及相关单位起步较晚，对氧化镓的大面积使用方向仍处于研发及探索阶段。”陈政委补充说。
仍然挑战重重
在于陈政委的交流中他多次强调，氧化镓虽然前景看好，但在技术难度和专利壁垒等多种因素的影响下，氧化镓仍面临重重挑战。
例如在氧化镓的晶体生长、晶体加工和外延生长等环节，不仅需要投资近亿元的起步投资。同时，在设备、零配件、工艺等诸多方向也需要进行整合与探索。但现在这些领域全球都已经形成了上百项具有知识产权属性的专利技术成果，其中每一项都存在较大的技术壁垒，非经多年的技术积累不可实现。
其次，因为在下游市场的配套及应用不完善，氧化镓还没有形成完整的产业链条，因此相对而言氧化镓材料的发展的门槛就目前的市场状况而言而言相对较高。
此外，2020年以来，由于铱金价格成倍率提升，造成氧化镓设备昂贵，进一步加大了起步投资。据陈政委介绍，结合铭镓半导体对NCT公司的调研和公开的数据，得出了一个较为可信的结论，2017-2019 年，NCT公司的氧化镓材料销售额大幅提升，而这三年也正是氧化镓材料增长相对明确的三年，而2020年以来，NCT公司一方面加大投入，购置了更多的设备，另一方面，对战略方向做出调整，即：对大于6英吋尺寸氧化镓材料的突破放缓，将目光转移到氧化镓功率半导体器件的突破上，加大氧化镓后端应用的开发。
“中国的市场也随着全球对氧化镓材料的认知度增加而逐年增长，由10%增长至20%多，未来中国有非常大的概率成为氧化镓材料的主要市场；同时，面对中国市场和目前日本一家独大的全球市场，这对于中国开展氧化镓材料的布局和产业化进程是一个非常重要的挑战。”陈政委告诉记者。
至于大家比较关心的氧化镓材料在功率器件的应用，在陈政委看来，在未来的发展过程中需要解决两个关键方面的问题：1、氧化镓散热问题；2、氧化镓的 P 型问题。
针对上述问题，全球氧化镓行业从业人员都在开展研发攻关，并取得了一系列成果，应用于氧化镓的产业发展上。
针对散热问题，行业参与者通过剥离技术将氧化镓剥离并键合在导热系数优良的材料上进行后端的器件加工，这已经被证明是解决氧化镓散热问题的产业化可行方式之一。西安电子科技大学的韩根全教授团队曾发表该项技术的成果报道，在产业应用中，青禾晶元公司的母凤文研究员团队所落地的技术也将有望应用在氧化镓材料上，不仅可以提高氧化镓单晶片的成品率（不良修补和表面修复），同时可以解决氧化镓的散热问题，值得关注。
关于氧化镓的 P 型问题，目前则有两种方案可供解决：
1、针对 β 相氧化镓材料，目前通过离子注入的形式 P 型问题可以得到初步解决，但仍需进行寿命和稳定性检测，但是值得关注的是，氧化镓由于性能优势数倍于现有材料，即便单极型器件亦可以实现目前产业上的大部分问题；
2、针对 α 相氧化镓材料，同为刚玉型结构的 α-Ir
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和α 相氧化镓的失配率低至 0.3%，已经成功验证了 pn 结型特性，这是一个非常重要的成果，尽管 α 相氧化镓薄膜材料质量低于 β 相氧化镓晶体材料，限制了其性能高度，但对比现有的功率器件市场，其性价比优势还是具备明显优势。
正是在这些参与者的推动下，氧化镓开始取得了突破，其在低成本低损耗的分立型功率半导体器件市场展现了其性价比的绝对优势。在上述厂商的努力下，让我们期待氧化镓真正大放异彩的一天的到来。
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