三菱电机入局最强半导体，氧化镓将在10年后打败第三代半导体

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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。世界最强半导体——氧化镓氮化镓的性能已是出类拔萃，但是它还不是最强的。世界最强半导体材料就目前的指标而言，是氧化镓。氧化镓的禁带宽公开报道是4.9eV，砷化镓的禁带宽为1.6eV，氮化镓是3.36eV。另据报道，硅的禁带宽为1.1eV，如果干瘪的数字不好比较，那我们就打一个比方：假如4.9eV与3.36eV相差的是一英里的话，那么4.9eV与1.1eV的距离就是一个马拉松。然而报道中的氧化镓4.9eV的禁带宽并不是它的实际数据，因为在当时实验室条件下还无法探测氧化镓禁带宽度边界。对于半导体材料禁带宽检测，一般在为15到20微米半导体材料上进行，由于氧化镓能力强，这么大的面积根本无法检测到边界，因此降至600纳米，探到的数值为近5eV，但据推算，当时实验内部可能达到8eV，而且这还不是它的边界。也就是说，在禁带宽度方面，氮化镓与氧化镓的距离有好几个马拉松。2017年时，美国空军研究实验室还展示了1千兆赫时，脉冲射频功率输出密度超过每毫米500毫瓦的情况，最大振荡频率接近20千兆赫。表明氧化镓的JFOM明显优于氮化镓。在实验中，氧化镓在使用过程中几乎没有能量损耗，而且好像一直于开启状态。这可能源于栅极-漏极间隙通常只有15到20微米，这让它的寄生电阻很小，小到可以忽略。2017年的时候，氧化镓的耐压试验已达600伏，这个电压，氮化镓用了二十多年。但是想要做第四代中最强的半导体，单有禁带宽与耐高压是不够的。氧化镓可以通过掺杂的方法，在氧化镓中加入电荷载流子，使其更具导电性。而且这个掺杂与硅材料掺杂有极大相似性。对于硅，可以使用离子注入法，然后退火处理，在晶体中掺杂磷（以添加自由电子）或硼（以减去自由电子），从而使电荷能够自由移动。对于氧化镓，可以用同样的方法在晶体中掺杂硅来添加电子。这个方法只有氧化镓能做，像其它的四代半导体金刚石等则会引起电荷卡死，提高不良率。氧化镓还有一个特性是其它半导体材料不具备的。那就是它的晶棒也可以用硅材料生成化制造，这有利于大幅度降低氧化镓的生产成本。氧化镓目前有三种形态，分别是β、ε、α。其中β-氧化镓具备良好的热稳定性，因此可以使用大量的商业技术来制造，包括用于制造硅片的提拉法。也可以使用“边缘定义、薄膜馈电晶体生长”技术来生产β-氧化镓晶圆。甚至可以使用可高度扩展的垂直坩埚下降技术生长晶体。

氧化镓后面这两个特性很重要，这让它可借用各种各样的既有商业光刻和加工技术。这两点，其它半导体做不到，包括氮化镓。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新兴宽带隙半导体必须生长在另一种材料盘中，比如氮化镓通常依靠复杂的工艺在硅、碳化硅、蓝宝石基底上生长，由于基底的晶体结构明显不同于氮化镓的晶体结构，这种差异会造成基底和氮化镓之间的“晶格失配”，从而产生大量缺陷。这样芯片的良率下降，而且生产成本也大幅上升。以上优点垫成了氧化镓是现有半导体材料中最强的。但是氧化镓而有一个其它所有半导体材料没有的特性，它可以用于量子力学，其原因就是氧化镓是一种透明导电氧化物。这意味着氧化镓在用于量子计算机、量子通讯、量子雷达方面比其它半导体材料更具优势。就此一点，也是最强半导体。当然，这是在新的半导体材料未出现之前。产业发展面临的机遇1、功率器件不遵循摩尔定律演进，为产业发展带来长时间窗口机遇集成电路器件在制造工艺层面的发展主要包括尺寸依赖的先进工艺和非尺寸依赖的特色工艺两大方向。在纵向的先进工艺中，器件特征尺寸的缩小、工作电压的降低以及开关频率的提高等成为业界追求目标。在横向的特色工艺中，器件结构的多样化，芯片在不同场景下如何承受高电压、输出高电流、提高电路线性特征和降低噪声等特征参数成为主要发展方向。氧化镓未来主要应用在肖特基二极管、功率MOSFET 等功率半导体领域，属于特色工艺制造，对材料质量、制备工艺及器件结构强依赖，对晶体管沟道长度无明显微缩要求，一般使用 0.18-0.5μm 制程，器件演进无需追赶摩尔定律给氧化镓发展带来长时间窗口机遇。2、氧化镓高性能和低成本优势叠加，为产业发展带来赶超新机遇（1）从材料器件性能角度看，氧化镓禁带宽度约为 4.9 eV，理论击穿场强为 8 MV/cm，氧化镓的更宽禁带可承受比硅、碳化硅、氮化镓更强的电场，对功率器件抗高压和小体积带来显著竞争优势。（2）从材料器件成本角度看，在原材料环节，氧化镓粉末价格约为 2000-3000 元 / 千克，碳化硅高纯粉达上万元 / 千克。在单晶衬底制备环节，氧化镓单晶衬底生长周期普遍比碳化硅短，国际领先企业生产氧化镓的效率比碳化硅普遍大 2 倍。若无铱熔体法技术获得成功应用，生长效率将大幅提升。在器件环节，据测算，氧化镓器件若实现大规模量产后，从同样基于 6 英寸衬底的器件成本构成来看，基于氧化镓材料的器件成本约为 8000 元，约为碳化硅器件成本的 1/4。3、碳达峰碳中和战略稳步推进，为产业发展带来历史性机遇与碳化硅相比，氧化镓在原材料加工、衬底外延以及器件工作环节上具备显著节能优势。（1）原材料加工层面，氧化镓粉末相比碳化硅粉末制备流程简单，碳化硅粉末对纯度要求高，提纯难度大，将进一步增加耗能。（2）衬底材料生长层面，据简单测算，在良率为理想情况下，常用的导模法生长一片 4 英寸氧化镓衬底约消耗 100kW.h 电能，而物理气相传输法（PVT）生长一片 4 英寸碳化硅则至少需要 300kW.h电能，且碳化硅硬度大导致晶锭在切磨抛过程中消耗的电能更大。（3）器件工作层面，氧化镓器件的导通特性是碳化硅的十倍，且开关损耗是碳化硅的一半，带来氧化镓器件更低的导通损耗和更高的功率转换效率。氧化镓将成为全球推动制造业绿色低碳转型的重要利器。

技术研发和产业化驶入快车道人们对高压、高频、大功率、紫外发光和探测的需求，直接推动了宽禁带半导体和超宽禁带的出现和发展。就功率应用来说，在其他参数相同的情况下，禁带更宽的半导体特性会更优。作为超宽禁带半导体材料的一种，氧化镓禁带宽度达到4.9eV，超过第三代半导体材料（宽禁带半导体材料）的碳化硅（3.2eV）和氮化镓（3.39eV）。更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。近年，国际氧化镓技术研发和产业化进程驶入快车道，尤其是日本。据了解，日本企业正在加紧推进配备在纯电动汽车（EV）上的功率半导体使用的新一代晶圆的实用化，这是一种由氧化镓制成的晶圆，日本新兴企业Novel Crystal Technology计划，从2025年起每年生产2万枚100毫米（4英寸）晶圆，到2028年量产生产效率更高的200毫米（8英寸）晶圆。该公司社长仓又朗人表示，氧化镓无论是性能还是成本都能胜过碳化硅，最终目标是全面转向氧化镓。此外，日本氧化镓领域知名企业FLOSFIA将大规模生产使用氧化镓材料的功率半导体替代硅基半导体，作为行业国际领军企业，该公司充满信心地预计，2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年达到15.42亿美元（约合人民币100亿元），达到碳化硅的40%，达到氮化镓的1.56倍。据日本NCT公司预测，氧化镓晶圆的市场到2030年度将扩大到约590亿日元规模。近期，我国在氧化镓研发方面也取得了一系列进展。3月，西安邮电大学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。此前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。2月，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，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。目前国内氧化镓行业以中国电科46所、山东大学、进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等单位为主力。氧化镓产业化需要具备至少3个要素：材料成本低；衬底、外延、器件产业链发展完善；实现示范性应用。目前，氧化镓国内产业化程度仍处于初级阶段。一旦氧化镓量产，其超高的性价比会迅速抢占现有新能源汽车的主逆变器、车载充电机等车用半导体市场以及巨大的白电市场。中国科学院院士郝跃曾表示，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。

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