據(jù)日經(jīng)報(bào)道，日本企業(yè)Novel Crystal Technology（NCT）發(fā)布消息稱，公司與日本酸素控股旗下的大陽日酸、東京農(nóng)工大學(xué)一起，成功實(shí)現(xiàn)了氧化鎵功率半導(dǎo)體的6英寸成膜。

 

報(bào)道表示，以往的技術(shù)只能在最大4英寸晶圓上成膜，NCT在世界上首次實(shí)現(xiàn)6英寸的成膜。有助于削減生產(chǎn)成本，有望把成本降到“碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體的三分之一”（NCT相關(guān)人員）。

 

據(jù)NCT預(yù)測，氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴(kuò)大到約590億日元規(guī)模。該公司的目標(biāo)是在確立晶圓量產(chǎn)技術(shù)后，2024年度銷售晶圓的量產(chǎn)裝置。將銷售給大型功率半導(dǎo)體廠商，用于實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車等的節(jié)能。

 

 

作為一個(gè)被看好的替代者，氧化鎵自然有其特點(diǎn)所在。據(jù)本土氧化鎵初創(chuàng)企業(yè)銘鎵半導(dǎo)體的創(chuàng)始人陳政委介紹，氧化鎵材料主要擁有三大優(yōu)勢：

 

首先，在功率半導(dǎo)體特性上，其性能數(shù)倍于硅基、碳化硅和氮化鎵，是制備高功率半導(dǎo)體電力電子器件的優(yōu)選材料，“相比于其他寬禁帶半導(dǎo)體（GaN 和 SiC）材料，其擁有更高的擊穿場強(qiáng)（~8 MV/cm），同時(shí)，這種材料還有更低的能量損耗、更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢。”陳政委一步指出。

 

其次，因?yàn)檠趸壍牟牧蠁栴}已經(jīng)得到初步的解決，液相導(dǎo)模法的生長工藝決定其材料成本優(yōu)勢非常明顯；第三，氧化鎵在深紫外光電器件方向具備天然的性能優(yōu)勢，其物性穩(wěn)定，幾乎不受到外界環(huán)境的改變。

 

據(jù)一篇發(fā)表在IEEE的文章中得出結(jié)論，在對半導(dǎo)體至關(guān)重要的五個(gè)特性中，穩(wěn)態(tài)單斜型氧化鎵（即：β相氧化鎵）擁有高臨界電場強(qiáng)度，這是其最為明顯的優(yōu)勢，有助于打造超高功率的分立型半導(dǎo)體器件。

 

可以向其添加電荷載流子也是氧化鎵的另一個(gè)特性。我們也可以使用這種方式，通過一種被稱為摻雜的過程提高其導(dǎo)電性更高。這里的摻雜就涉及向晶體中添加受控量的雜質(zhì)，以控制半導(dǎo)體中電荷載流子的濃度。例如在硅中，您可以使用離子注入，然后進(jìn)行退火，以便在晶體中摻雜磷（添加自由電子）或硼（減去它們），進(jìn)而使電荷可以在其中自由移動(dòng)。同樣，在氧化鎵上，同樣可以用類似的方式添加電子。

 

但正如陳政委所說，氧化鎵雖然有性能優(yōu)勢明顯，但也有其明顯的短板所在。如：氧化鎵的導(dǎo)熱系數(shù)不高，使用存在器件穩(wěn)定性的問題；氧化鎵本征為N 型半導(dǎo)體材料，對于氧化物而言，解決 P 型摻雜問題相對比較困難。這正是研究者或者產(chǎn)業(yè)者把氧化鎵看作一種“毀譽(yù)參半”材料的原因。

 

即使如此，業(yè)界統(tǒng)一認(rèn)知，這并不是限制氧化鎵研究和產(chǎn)業(yè)化的問題，而是逐步需要解決的瓶頸問題，因而還是有很多團(tuán)隊(duì)持續(xù)投入到這個(gè)新技術(shù)的研究上。自2012年日本獲得2英寸氧化鎵材料以來，歷經(jīng)了多年發(fā)展，氧化鎵材料以及氧化鎵基光電及功率器件業(yè)已得到初步的驗(yàn)證，正在逐步產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時(shí)在這個(gè)發(fā)展過程中，人們還為氧化鎵的未來做了更多的設(shè)想。

 

據(jù)陳政委介紹，氧化鎵在電力電子器件如肖特基二極管和場效應(yīng)晶體管、日盲紫外光電探測器、紫外透明導(dǎo)電電極、信息存儲器、氣敏傳感器、光催化等領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，是一種極具應(yīng)用潛力的多功能超寬禁帶半導(dǎo)體材料。

 

 

目前，全球的多地的研發(fā)人員均對其都產(chǎn)生了濃烈的興趣。

 

陳政委也告訴記者，目前國際市場上，氧化鎵產(chǎn)品的開發(fā)競爭非常激烈，日美以及歐洲各國已經(jīng)投入大量的人力物力財(cái)力，特別是日本，在氧化鎵材料和器件方向都獲得了令人稱贊的成果，中國在氧化鎵材料方向的研究，實(shí)際上開展也并不算晚，但是產(chǎn)業(yè)目前尚處于初級階段，領(lǐng)先歐美但落后日本，在重要的功率半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，經(jīng)過中電13所、西電、中科大等一批高校院所的努力，不遜色于國外團(tuán)隊(duì)，但產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍需進(jìn)一步突破。他同時(shí)也指出，氧化鎵領(lǐng)域能否達(dá)到國際領(lǐng)先，關(guān)鍵在于材料是否自主生產(chǎn)，考慮到復(fù)雜多變的國際貿(mào)易形式，長期的外貿(mào)卡脖子必然不是長久之計(jì)，所以，材料的研發(fā)速度和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展就顯得非常重要。”

 

這個(gè)也是包括銘鎵在內(nèi)的多家本土廠商投入這個(gè)領(lǐng)域的原因。

 

資料顯示，北京銘鎵半導(dǎo)體有限公司已完成近億元的天使、PreA輪融資，公司也完成2英吋氧化鎵材料研發(fā)和小批量生產(chǎn)，3-4英吋氧化鎵材料的突破，并具備加工、外延、測試等完整的鏈條；杭州富加鎵業(yè)科技有限公司也在中科院上海光機(jī)所技術(shù)的支持下成立，劍指氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化；此外，中電46所也在氧化鎵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了4英吋的突破，而現(xiàn)階段材料面臨關(guān)鍵問題不在于更大尺寸的突破，而在于穩(wěn)定的高質(zhì)量的小尺寸（特別是2英吋）氧化鎵的批量化生產(chǎn)，這將成為促進(jìn)國內(nèi)氧化鎵功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

 

放眼于全球，尤其以日本在氧化鎵方面的發(fā)展最為領(lǐng)先。

 

早在2012 年，日本Novel Crystal Technology（下簡稱“NCT”）公司就實(shí)現(xiàn)了 2 英吋氧化鎵晶體和外延的突破；2014 年，日本NCT實(shí)現(xiàn) 2 英吋氧化鎵材料的批量產(chǎn)業(yè)化；2017 年，日本 FLOSFIA 實(shí)現(xiàn)了低成本亞穩(wěn)態(tài)氧化鎵（α相）材料的突破；2018 年，日本NCT實(shí)現(xiàn)了 4 英吋氧化鎵材料的突破，日本 FLOSFIA 實(shí)現(xiàn)了α相氧化鎵外延材料的批量化生產(chǎn)，2019 年日本田村實(shí)現(xiàn) 4 英吋氧化鎵的批量產(chǎn)業(yè)化，同年 2019 年，日本田村實(shí)現(xiàn) 6 英吋氧化鎵材料的突破；其中晶體原坯的厚度也是由 5mm 向 25mm 實(shí)現(xiàn)突破。

 

在這個(gè)發(fā)展過程中，日本氧化鎵產(chǎn)業(yè)也涌現(xiàn)出了幾個(gè)產(chǎn)業(yè)明星。當(dāng)中尤其以NCT和FLOSFIA最為亮眼。

 

據(jù)介紹，NCT由日本NICT、田村制作所、日本光波株式會社和AGC公司聯(lián)合成立，公司已經(jīng)完成了B輪約合1.7億人民幣投資，主要的研究方向是：β相氧化鎵晶體和外延材料，β相氧化鎵基超高功率電力電子器件；由日本京都大學(xué)、日本電裝、日本三菱重工投資成立的FLOSFIA Inc（D輪；已經(jīng)完成約合4.5億人民幣投資）則是日本在該領(lǐng)域的另一個(gè)明星，該公司主要研究方向包括α相氧化鎵外延材料，α相氧化鎵基肖特基二極管和MOS管，解決氧化鎵散熱和P型問題，推出低成本（與硅基持平）、中低壓、超低損耗的器件，首先應(yīng)用在電動(dòng)汽車純電動(dòng)模塊和混合動(dòng)力模塊、快速充電樁、PFC、AC/DC轉(zhuǎn)換等方面。

 

美國kyma公司則是這個(gè)市場的另一個(gè)參與者，該公司與美國軍方合作現(xiàn)在已經(jīng)完成1英吋氧化鎵材料的研發(fā)和小批量生產(chǎn)。

 

而從整個(gè)氧化鎵供應(yīng)鏈看，從陳政委的介紹我們得知，在氧化鎵基礎(chǔ)材料方面，有日本NCT、日本 FLOSFIA、美國 kyma、中國富加鎵業(yè)、中國銘鎵半導(dǎo)體、中電46所和山東大學(xué)投入其中；氧化鎵基礎(chǔ)材料用生長設(shè)備方面除了美國 MOCVD 外延設(shè)備外，還有日本 FLOSFIA（Mist-CVD 設(shè)備），日本第一機(jī)電等參與者；美國海軍物理實(shí)驗(yàn)室和中國銘鎵半導(dǎo)體在探索氧化鎵在深紫外區(qū)域的光電應(yīng)用；日本 FLOSFIA、日本NCT、中電13所、西安電子科技大學(xué)、南方科技大學(xué)和中電55所則聚焦在氧化鎵功率器件器件。

 

綜上所述，目前已經(jīng)有相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)公司介入氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)，在科研體系，幾十家高校院所參與氧化鎵項(xiàng)目的研究工作，積累了豐富的成果基礎(chǔ)。我國方面因?yàn)樵诰硟?nèi)有儲量豐富的鎵，那就意味著可以保證行業(yè)上游的原材料充足供應(yīng)。事實(shí)上，日本的氧化鎵原材料部分也是從中國進(jìn)口，在中國發(fā)展氧化鎵產(chǎn)業(yè)得天獨(dú)厚。由于氧化鎵的優(yōu)良性價(jià)比優(yōu)勢，在未來功率半導(dǎo)體器件發(fā)展過程中，氧化鎵必然會大放異彩，且將涌現(xiàn)出更多的玩家。

 

“截止目前，國內(nèi)大部分氧化鎵材料由日本進(jìn)口，價(jià)格昂貴同時(shí)貿(mào)易受限，另因處于產(chǎn)業(yè)中下游的器件設(shè)計(jì)和封裝制造環(huán)節(jié)，國內(nèi)涉足的企業(yè)及相關(guān)單位起步較晚，對氧化鎵的大面積使用方向仍處于研發(fā)及探索階段。”陳政委補(bǔ)充說。

 

 

在與陳政委的交流中他多次強(qiáng)調(diào)，氧化鎵雖然前景看好，但在技術(shù)難度和專利壁壘等多種因素的影響下，氧化鎵仍面臨重重挑戰(zhàn)。

 

例如在氧化鎵的晶體生長、晶體加工和外延生長等環(huán)節(jié)，不僅需要投資近億元的起步投資。同時(shí)，在設(shè)備、零配件、工藝等諸多方向也需要進(jìn)行整合與探索。但現(xiàn)在這些領(lǐng)域全球都已經(jīng)形成了上百項(xiàng)具有知識產(chǎn)權(quán)屬性的專利技術(shù)成果，其中每一項(xiàng)都存在較大的技術(shù)壁壘，非經(jīng)多年的技術(shù)積累不可實(shí)現(xiàn)。

 

其次，因?yàn)樵谙掠问袌龅呐涮准皯?yīng)用不完善，氧化鎵還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，因此相對而言氧化鎵材料的發(fā)展的門檻就目前的市場狀況而言而言相對較高。

 

此外，2020年以來，由于銥金價(jià)格成倍率提升，造成氧化鎵設(shè)備昂貴，進(jìn)一步加大了起步投資。據(jù)陳政委介紹，結(jié)合銘鎵半導(dǎo)體對NCT公司的調(diào)研和公開的數(shù)據(jù)，得出了一個(gè)較為可信的結(jié)論，2017-2019 年，NCT公司的氧化鎵材料銷售額大幅提升，而這三年也正是氧化鎵材料增長相對明確的三年，而2020年以來，NCT公司一方面加大投入，購置了更多的設(shè)備，另一方面，對戰(zhàn)略方向做出調(diào)整，即：對大于6英吋尺寸氧化鎵材料的突破放緩，將目光轉(zhuǎn)移到氧化鎵功率半導(dǎo)體器件的突破上，加大氧化鎵后端應(yīng)用的開發(fā)。

 

“中國的市場也隨著全球?qū)ρ趸壊牧系恼J(rèn)知度增加而逐年增長，由10%增長至20%多，未來中國有非常大的概率成為氧化鎵材料的主要市場；同時(shí)，面對中國市場和目前日本一家獨(dú)大的全球市場，這對于中國開展氧化鎵材料的布局和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程是一個(gè)非常重要的挑戰(zhàn)。”陳政委告訴記者。

 

至于大家比較關(guān)心的氧化鎵材料在功率器件的應(yīng)用，在陳政委看來，在未來的發(fā)展過程中需要解決兩個(gè)關(guān)鍵方面的問題：1、氧化鎵散熱問題；2、氧化鎵的 P 型問題。

 

針對上述問題，全球氧化鎵行業(yè)從業(yè)人員都在開展研發(fā)攻關(guān)，并取得了一系列成果，應(yīng)用于氧化鎵的產(chǎn)業(yè)發(fā)展上。

 

針對散熱問題，行業(yè)參與者通過剝離技術(shù)將氧化鎵剝離并鍵合在導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)良的材料上進(jìn)行后端的器件加工，這已經(jīng)被證明是解決氧化鎵散熱問題的產(chǎn)業(yè)化可行方式之一。西安電子科技大學(xué)的韓根全教授團(tuán)隊(duì)曾發(fā)表該項(xiàng)技術(shù)的成果報(bào)道，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，青禾晶元公司的母鳳文研究員團(tuán)隊(duì)所落地的技術(shù)也將有望應(yīng)用在氧化鎵材料上，不僅可以提高氧化鎵單晶片的成品率（不良修補(bǔ)和表面修復(fù)），同時(shí)可以解決氧化鎵的散熱問題，值得關(guān)注。

 

 

1、針對 β 相氧化鎵材料，目前通過離子注入的形式 P 型問題可以得到初步解決，但仍需進(jìn)行壽命和穩(wěn)定性檢測，但是值得關(guān)注的是，氧化鎵由于性能優(yōu)勢數(shù)倍于現(xiàn)有材料，即便單極型器件亦可以實(shí)現(xiàn)目前產(chǎn)業(yè)上的大部分問題；

 

2、針對 α 相氧化鎵材料，同為剛玉型結(jié)構(gòu)的 α-Ir2O3和α 相氧化鎵的失配率低至 0.3%，已經(jīng)成功驗(yàn)證了 pn 結(jié)型特性，這是一個(gè)非常重要的成果，盡管 α 相氧化鎵薄膜材料質(zhì)量低于 β 相氧化鎵晶體材料，限制了其性能高度，但對比現(xiàn)有的功率器件市場，其性價(jià)比優(yōu)勢還是具備明顯優(yōu)勢。

 

正是在這些參與者的推動(dòng)下，氧化鎵開始取得了突破，其在低成本低損耗的分立型功率半導(dǎo)體器件市場展現(xiàn)了其性價(jià)比的絕對優(yōu)勢。在上述廠商的努力下，讓我們期待氧化鎵真正大放異彩的一天的到來。