日企市场份额占比超9成，国内第四代半导体材料加速突破

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）最近国内关于第四代半导体的消息很多，特别是在材料制备方面似乎有不少新突破。我们熟知的碳化硅、氮化镓等第三代半导体又被称为宽禁带半导体，而第四代半导体的其中一个重要特征是“超宽禁带”，禁带宽度在4eV以上（金刚石5.5eV，β-Ga2O3 禁带宽度4.2-4.9eV）。
 
相比之下，第三代半导体中碳化硅禁带宽度仅为3.2eV，氮化镓也只有3.4eV。更宽的禁带，带来的优势是击穿电场强度更大，反映到器件上就是耐压值更高，同样以主流的β结构Ga2O3材料为例，其击穿电场强度约为8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化镓也高出一倍以上。
 
所以，材料具备的优异特性，让包括氧化镓、金刚石、氮化铝等材料被认为是下一代紫外激光器、功率、射频等半导体产品的选择，而其中氧化镓的应用前景最被看好。
 
氧化镓材料制备和器件取得突破
 
今年2月，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到目前国际上尺寸最大的氧化镓单晶衬底水平。一直以来，氧化镓单晶制备都是业界难题，由于氧化镓熔点高、高温易分解、易开裂等，特别是大尺寸氧化镓单晶制备良率一直是限制氧化镓应用的拦路虎。
 
据中国电科46所介绍，其团队聚焦多晶面、大尺寸、高掺杂、低缺陷等方向，从大尺寸氧化镓热场设计出发，成功构建了适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构，突破了6英寸氧化镓单晶生长技术，具有良好的结晶性能，可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制。
 
3月，西安邮电大学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英寸硅片上制备出高质量的氧化镓外延片。硅上氧化镓异质外延有利于硅电路与氧化镓电路的直接集成，同时拥有成本低和散热好等优势。
 
去年12月，北京铭镓半导体也成功制备了高质量4英寸（001）主面氧化镓（β-Ga2O3）单晶，完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，并且进行了多次重复性试验，成为国内首个掌握第四代半导体氧化镓材料4英寸（001）相单晶衬底生长技术的产业化公司。
 
器件方面，去年12月中国科大微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓器件的研究论文被IEEE 国际电子器件大会接收，分别涉及了氧化镓器件在功率以及光电领域的应用进展。
 
在氧化镓功率器件应用中，由于氧化镓P型掺杂存在困难，PN结相关的边缘终端结构一直是难点。龙世兵教授课题组基于氧化镓异质PN结的前期研究基础，成功将异质结终端扩展结构应用在氧化镓SBD，并提高了器件的耐压能力。在通过一系列优化后，器件实现了2.9 mΩ·cm2的低导通电阻和2.1kV的高击穿电压，其功率品质因数高达1.52 GW/cm2。
 
今年2月，龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台，分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。
 
光电应用中，响应度和响应速度是光电探测器的两个关键的性能参数，然而这两个指标之间存在着制约关系，此消彼长。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技术，该问题在以氧化镓材料为代表的超宽禁带半导体探测器中尤为突出，这次公布的论文就是为了缓解这个问题。
 
龙世兵教授团队通过引入额外的辅助光源实现对向光栅（OPG）调控方案，提出了一种光电探测器芯片内千万像素共享一颗辅助LED即可缓解响应度与响应速度之间的制约关系的策略，对光电探测芯片综合性能的提升有重要的参考意义。
 
行业现状
 
其实除了材料特性之外的优势，成本和迭代速度也是目前业内关注到氧化镓等第四代半导体的原因。与第三代半导体中的碳化硅作对比，碳化硅产业发展经历了近30年的发展周期才进入到6英寸衬底阶段，而氧化镓的发展速度明显更快，仅仅10年左右就已经到6英寸单晶衬底的阶段。
 
同时，氧化镓在初期的6英寸衬底成本约在283美元左右，而碳化硅同期的产品成本高达916美元。通过对工艺的改进以及量产规模提升，氧化镓6英寸衬底成本可以继续下降至200美元以下，最新的数据甚至可以低至120美元。在材料成本更低的同时，由于超宽禁带的材料特性，相比于同功率等级的硅基功率器件，氧化镓器件所采用的晶圆面积可以降低30-150倍之多，特别在大功率应用中成本优势极其突出。
 
氧化镓行业目前在材料以及器件开发上处于起步阶段，但产业化进展迅速。从材料的角度来看，目前日本企业较为领先，有数据显示，日本在氧化镓材料市场占到全球90%以上的市场份额。三菱重工、丰田、日本电装、NCT、日本光波、Novel Crystal等企业发展迅速，其中NCT的2-4英寸氧化镓衬底已经实现量产，并在2018年成功制备6英寸β-Ga2O3单晶片；Novel Crystal表示预计将在2025年开始量产4英寸氧化镓晶圆，到2028年开始量产8英寸氧化镓晶圆，并且最终成本可以降至碳化硅的三分之一。
 
国内氧化镓材料产业起步相对较晚，以往主要是高校或研究所实验室在投入。不过随着近几年氧化镓的潜力逐渐被发掘，材料、器件方面都在研究阶段取得突破，业界有更多的资本关注到氧化镓行业。目前国内有不少专注于氧化镓材料的企业，比如镓族科技、富加镓业科技、铭镓半导体、进化半导体等，部分已经实现2-4英寸衬底的制备，加上产学研合作模式在国内进一步发展，一些高校、科研机构的成果也正在通过企业加速产业化。
 
有业内人士认为，未来十年内，氧化镓可能在功率器件领域能够具备足够的竞争力挑战碳化硅的地位。
 
目前氧化镓产业规模仍较小，另一边的碳化硅产业，近年依托新能源汽车以及相关需求的爆发，产能持续扩张，在器件设计、应用方面也会持续成熟，这些都会成为碳化硅产业的“护城河”。但作为下一代半导体材料的主力方向，国内企业能够提前布局，未来依托国内市场，或许有机会打破当前产业被日企垄断的现状。