?0 引言?

寬禁帶半導體往往具備高的擊穿場強、高的電子飽和速度和強的抗輻射等特性，在全球半導體產(chǎn)業(yè)博弈加劇的背景下，近年來持續(xù)受到產(chǎn)業(yè)界的高度關注。寬禁帶半導體材料主要以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga2O3）和金剛石等材料為代表。其中，氧化鎵作為新一代半導體材料，作為低損失性指標的的巴利加優(yōu)值（3444）遠大于 SiC（340）和 GaN（870），因此采用氧化鎵制備的器件有望具備更小尺寸、更低成本以及更低器件損耗等特性，未來有望在功率半導體領域發(fā)揮重要作用。在我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加速向數(shù)字化、智能化、綠色化轉型升級的過程中，氧化鎵作為半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一股新驅動力，若產(chǎn)業(yè)關鍵共性技術取得重要突破，必將與氮化鎵和碳化硅一樣，深度融入到全球寬禁帶半導體發(fā)展的浪潮中，未來有望在新能源、工控、變頻家電、數(shù)據(jù)中心、5G、IoT 等領域加速滲透。

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?1 發(fā)展現(xiàn)狀?

1.1 從區(qū)域發(fā)展格局看，受氧化鎵自身優(yōu)勢和市場前景驅動，日美等多國正加緊研發(fā)與布局

（1）日本已在襯底—外延—器件等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)具備全球領先能力，如日本 NCT 和 FLOSFIA 兩家公司引領著日本氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其中，NCT 公司目前已實現(xiàn) 2 英寸、4 英寸的襯底及外延的批量化供應，2022 年 7 月宣布計劃 2025 年每年生產(chǎn) 2 萬片 4 英寸晶圓。另外，F(xiàn)LOSFIA 公司采用噴霧化學氣相沉積法已成功制備具有全球最小導通電阻的肖特基二極管，已在日本電裝上試用，預計 2023 年將為汽車零部件制造商提供每月數(shù)十萬的生產(chǎn)能力。

（2）美國已基本形成氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的研究基礎。如美國空軍研究室已制備出一種抗高壓的增強型氧化鎵 MOSFET。美國能源部先進能源研究計劃署主要資助的 Kyma Technologies 公司亦可提供氧化鎵襯底及外延片的供應。

（3）其它國家如德國的 Leibniz 晶體生長研究所、法國 Saint-Gobai 公司等機構均已加入氧化鎵材料器件開發(fā)中。我國氧化鎵發(fā)展以科研單位研究為主，在寬禁帶半導體的發(fā)展浪潮下，涌現(xiàn)出一些初創(chuàng)企業(yè)，但產(chǎn)業(yè)化進展緩慢。

1.2 從技術發(fā)展路徑看，導模法為制備β- 氧化鎵襯底的主要技術方案，無銥法有望成為新選擇

氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底制備、外延層生長、器件研制以及下游應用環(huán)節(jié)。當前襯底制備是產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展亟需攻克的核心難點和產(chǎn)業(yè)鏈價值最高的環(huán)節(jié)。襯底制備主要表現(xiàn)在襯底晶型和工藝方案兩方面：①在襯底晶型生長方面，氧化鎵具有 α、β、γ、ε 和 δ 五種同分異構體，β- 氧化鎵為最穩(wěn)定的相[1-2]。②在襯底長晶工藝方面，β- 氧化鎵單晶襯底可通過基于包括浮動區(qū)、導模法和直拉法等多種熔體方法生長，其中導模法是傳統(tǒng)直拉法的一種延伸和補充，具備近尺寸生長、異形晶體生長、生長速度快以及加工成本低等優(yōu)點，已成為業(yè)界生長 β-氧化鎵的主流技術方案[3]。

近年來，日本東北大學聯(lián)合初創(chuàng)企業(yè) C&A 公司以及我國進化半導體公司均已提出熔融的無銥技術方案，無銥技術無需使用昂貴的銥坩堝，將顯著降低材料制備成本，且材料生長效率顯著提高，無銥熔體法未來有望成為制備氧化鎵襯底新的技術路徑。

1.3 從產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)看，鎵下游應用廣泛，中國上游鎵儲量在全球占據(jù)絕對優(yōu)勢地位

目前鎵在發(fā)光器件、微波通信、新型顯示等領域應用廣泛，未來有望在集成電路領域有較大應用前景，正成為電子工業(yè)的新糧食。如氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）已成為 LED 成熟的技術解決方案。GaN 在手機快充、5G 通信等方面亦具有廣闊應用前景。砷化鎵（GaAs）作為第二代半導體材料的代表已在高頻、高速、高溫及抗輻照等微波器件和高速數(shù)字電路中得到重要應用。得益于遷移率高、均勻性好等優(yōu)勢，銦鎵鋅氧（IGZO）氧化物半導體近年來在大尺寸面板的應用加速滲透。此外，用IGZO 作為有源層制備的場效應晶體管（FET）在集成電路后道工序（IC-BEOL）、常關 CPU（晶體管閾值電壓為正，為增強型器件）、DRAM/NAND 和 FPGA 等各種大規(guī)模集成電路（LSI）領域有較大應用潛力。作為伴生礦產(chǎn)，鎵在地殼中的含量為 5×10^(-4)%~1.5×10^(-3) %，為典型的稀散元素[4]。據(jù)統(tǒng)計，當前全球鎵的總儲量為 23 萬噸，中國以占比 8 成以上成為全球金屬鎵的最大生產(chǎn)國，主要供應美國、歐盟、日本和韓國等經(jīng)濟體[5]。

2 面臨的機遇與挑戰(zhàn)?

2.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的機遇

2.1.1 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。

2.1.2 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[6]。

（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。

2.1.3 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換效率。氧化鎵將成為全球推動制造業(yè)綠色低碳轉型的重要利器。

2.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

2.2.1 受產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期限制，技術發(fā)展仍需實現(xiàn)關鍵難點突破

全球近年來雖有企業(yè)布局氧化鎵，但從技術成熟度、應用規(guī)模化以及外圍生態(tài)方面來講，仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，關鍵核心技術仍需進一步突破。主要技術難點如下：

（1）在襯底生長方面：一是常用的導模法生長β- 氧化鎵熔點達 1820℃，高溫生長過程中極易產(chǎn)生大量氧空位，進而造成孿晶、鑲嵌結構、螺旋位錯等缺陷[7]。二是高溫下分解生成的 Ga（g）、GaO（g）、GaO2（ g）以及 O2（g）等物質會嚴重腐蝕銥坩堝[8]。材料外延方面，受氧化鎵背景載流子濃度高影響，對氧化鎵的 n 型摻雜進行精準調控存在困難。

（2）在器件工作方面：一是氧化鎵熱導率僅為碳化硅的十分之一，硅的五分之一，低的熱導率導致器件工作時產(chǎn)生大量熱量停留，將極大地限制器件壽命[1]。二是氧化鎵薄膜的 p 型摻雜存在困難，給形成雙極型和 CMOS 器件帶來挑戰(zhàn)[9]。

2.2.2 受材料體系供給多樣影響，高功率器件未來將面臨激烈競爭

當前，功率半導體向更寬禁帶演進的趨勢愈加明顯，未來高功率器件將出現(xiàn)硅基、碳化硅以及氧化鎵相互競存的發(fā)展局面。競爭分析如下：

一是硅基 IGBT 帶來的競爭。由于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）兼具金屬 - 氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的高輸入阻抗和 BJT 的低導通壓降的優(yōu)點，近年來在新能源汽車、光伏逆變、儲能等下游應用市場帶動下，IGBT 需求旺盛。據(jù) BrainyInsights 預測，全球 IGBT 市場預計將從 2021 年的72 億美元增長到 2030 年的 179 億美元。

二是碳化硅器件加速滲透帶來的競爭。由于具備高耐壓、低損耗以及高的開關性能等特點，碳化硅正加速滲透到新能源汽車以及光伏發(fā)電等領域。據(jù)Grand View Research 預測，2030 年全球碳化硅器件市場規(guī)模將達到 79.8 億美元。

三是氧化鎵將在未來功率半導體市場嶄露頭角。據(jù)富士經(jīng)濟預測，2030 年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將達到 15 億美元。

2.2.3 受未來價值進一步提升作用，領先國家對氧化鎵管控趨嚴

氧化鎵具備抗高壓、強的壓電極化系數(shù)以及抗輻照等特性，在高壓電力控制、移動通信射頻和火焰探測（例如導彈尾焰）等場景具備重要應用價值。為此，近年來領先國家加強了管控：

（1）日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省（METI）不斷修訂其出口管制的“最終用戶名單”，給后發(fā)追趕國家采購日企氧化鎵襯底及外延片帶來阻礙。

（2）2021 年 12 月，瓦森納協(xié)定（WA）發(fā)布修改后的管制清單，在半導體基板、高阻率材料襯底以及襯底外延層三個物項中，新增氧化鎵和金剛石。

（3）2022 年 8 月，美國商務部工業(yè)與安全局（BIS）對氧化鎵技術實施新的出口管制。以上管制動作將為后發(fā)追趕者實現(xiàn)氧化鎵產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展和高水平安全良性互動帶來較大沖擊。

3 幾點啟示?

3.1 設立專項資金，加速產(chǎn)業(yè)關鍵環(huán)節(jié)技術突破

一是政府可加大對關鍵技術研發(fā)的資金支持，在國內外招募優(yōu)秀的研發(fā)團隊和人才，瞄準氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈中襯底制備和外延環(huán)節(jié)，重點突破氧化鎵襯底“無銥法”制備技術、氧化鎵拋光研磨技術和氫化物氣相外延（HVPE）設備開發(fā)。二是政府應支持有條件企業(yè)或機構開展試驗線建設。利用“賽馬”機制，力爭 5 年內時間篩選并扶持 1-2 家能夠實現(xiàn)氧化鎵襯底量產(chǎn)的“先鋒”企業(yè)。

3.2 培育下游應用，壯大氧化鎵半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)

一是國家層面出臺氧化鎵規(guī)劃性政策，調動重點企業(yè)、高校院所、產(chǎn)業(yè)服務機構、行業(yè)協(xié)會、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、國家金融機構、社會資本等全社會資源要素力量，提高半導體氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展新勢能。

二是以市場為導向、企業(yè)為主體，打造“政產(chǎn)學研資”緊密合作的創(chuàng)新生態(tài)，支持行業(yè)重點企業(yè)聯(lián)合高等院校、科研院所和行業(yè)上下游企業(yè)共建制造業(yè)創(chuàng)新中心，承擔國家重大科技項目，加速孵化氧化鎵下游應用企業(yè)。3.3 強化風險意識，把握氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動權一是加大對氧化鎵供應鏈關鍵節(jié)點布局力度，引導國內優(yōu)勢企業(yè)承擔設備及零部件、材料及原材料、設計工具、檢測設備、廠務設施等環(huán)節(jié)研制任務。二是推動國內企業(yè)或機構實施氧化鎵知識產(chǎn)權全球布局，主動設置壁壘，形成多套商業(yè)秘密和專利“組合拳”，提高我國氧化鎵供應鏈各環(huán)節(jié)話語權。

?4 結論?

受氧化鎵明顯優(yōu)勢作用，當前各科技強國政府均重視對氧化鎵的投入，寬禁帶半導體領域重點企業(yè)也密切關注全球氧化鎵的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢。氧化鎵相比碳化硅和氮化鎵具有更高的禁帶寬度，該材料在高功率、低損耗半導體器件制備方面具有巨大優(yōu)勢，未來在航空航天、5G 通訊、新能源汽車、軌道交通、高端裝備、智能電網(wǎng)等眾多領域具有巨大潛在的應用，市場前景廣闊，且采用氧化鎵材料制備的功率器件將在促進我國產(chǎn)業(yè)結構升級、節(jié)能減排等領域發(fā)揮關鍵作用。政府及我國重點企業(yè)、高校院所、產(chǎn)業(yè)服務機構、國家金融機構、社會資本等全社會資源要素力量應緊密協(xié)同，為我國寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)前沿技術引領和功率半導體等重點領域做大做強盡快注入更大發(fā)展新動能。

審核編輯：劉清