第四代半導體已出現(xiàn)丨氧化鎵能否取代碳化硅？
隨著數(shù)字化、智能化的時代到來，半導體行業(yè)的熱度不斷高漲。尤其是量子信息和人工智能等高科技領域的快速發(fā)展，推動了半導體以及多功能器件技術的快速更新和迭代。為適應高性能、低成本的要求，業(yè)界將目光投向了第四代半導體，而最受矚目的莫過于氧化鎵。
憑借著一系列優(yōu)異的材料特性，氧化鎵有望改變當前的復合半導體市場，讓國內(nèi)的芯片廠商實現(xiàn)彎道超車。但氧化鎵材料仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，本文就其優(yōu)勢、挑戰(zhàn)和市場前景作了較為詳盡的闡述。
出口管制下的半導體關鍵原料
中國于2023年8月1日起，對半導體原料的鎵、鍺實行嚴格的出口限制。業(yè)內(nèi)對此意見不一，許多人將此舉視為對荷蘭 ASML公司加大光刻機出口限制的一種反應。然而，2022年8月美國在對中國的出口禁令中，也包括了一種高純半導體材料——氧化鎵。美國商業(yè)部的工業(yè)安全管理局（BIS）宣布對耐高溫耐高壓的四代半導體材料——氧化鎵和金剛石，還有專為3nm及以下芯片設計而生的 ECAD軟件，都納入了出口管制范圍。
當時并沒有太多人注意到這一點，但一年之后，中國對鎵進行了出口控制，這才引起了業(yè)界對第四代半導體關鍵原料的重視。在半導體行業(yè)中，鎵和鍺是一種重要的原材料，在第一代到第四代半導體中都有應用。在摩爾定律面臨瓶頸的今天，具有更大禁帶寬度的半導體材料如金剛石、氧化鎵、AlN及BN等，其優(yōu)異的物理性能有可能成為下一代信息技術的驅(qū)動力。
對于中國來說，半導體技術的發(fā)展已經(jīng)到了一個非常重要的階段，尤其是美國的各種制裁，更是讓這一技術的突破發(fā)展變得極為關鍵。雖然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但只要我們能夠在這場半導體技術革命中取得勝利，中國就有可能從“制造大國”變成“制造強國”，從而迎來一個世紀以來最大的變革。它既是中國科學技術實力的一次大檢驗，也是向世人展示中國應對世界科學技術挑戰(zhàn)的一次好機會。
超越碳化硅，氧化鎵的優(yōu)勢
氧化鎵，這種第四代半導體材料，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性好等優(yōu)勢。氧化鎵有五種已確認的結晶形態(tài)，其中最穩(wěn)定的是β-Ga2O3。其禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強高達8 MV/cm，而其導通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低了器件的導通損耗。其特性參數(shù)巴利加優(yōu)質(zhì)（BFOM）高達3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。
相比于碳化硅和氮化鎵，氧化鎵的生長過程可以使用常壓下的液態(tài)熔體法，這使得其品質(zhì)高、產(chǎn)量大且成本低。但 SiC、 GaN等材料因其特殊性質(zhì)，目前僅能采用氣相法制備，且需
保持較高的溫度、較高的能耗。這意味著，在生產(chǎn)上，氧化鎵會占據(jù)一定的成本優(yōu)勢，而國內(nèi)的工廠也會迅速擴大產(chǎn)能。
與SiC相比， 氧化鎵在各方面都優(yōu)于SiC。特別是其較大的禁帶寬度和較高的擊穿場強，使得它在大功率和高頻率應用中具有顯著優(yōu)勢。
氧化鎵的具體應用和市場潛力
氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯，該市場當前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia兩大巨頭壟斷。NCT自2012年開始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項關鍵技術，包括2英寸氧化鎵晶體與外延技術，以及氧化鎵材料的量產(chǎn)等。其高效性與高性能受到了行業(yè)的廣泛認可。其在2021年成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并已開始供應客戶晶圓，為日本在第三代化合物半導體競賽中再度保持領先。
據(jù)NCT預測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量增長，到2030年度將擴大到約30.2億元人民幣規(guī)模。FLOSFIA預測，到2025年，氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年將達到15.42億美元（約100億元人民幣），占碳化硅的40%，是氮化鎵的1.56倍。根據(jù)富士經(jīng)濟的預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規(guī)模將達到1,542億日元（約92.76億元人民幣），將超過氮化鎵功率元件的市場規(guī)模。這種趨勢反映了氧化鎵在功率電子設備中的重要性及其未來的潛力。
在一些特定應用領域，氧化鎵有著巨大的優(yōu)勢。在功率電子領域，氧化鎵功率器件與氮化鎵、碳化硅有部分重合，軍用領域主要應用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等。民用領域則主要應用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動汽車、家用電器、醫(yī)療設備和消費類電子等領域。
新能源車市場也為氧化鎵提供了巨大的應用場景。然而，國內(nèi)在車規(guī)級功率器件方面一直很薄弱，目前尚無車規(guī)的SiC MOS IDM。雖然有幾家在XFab代工的Fabless企業(yè)可以快速具備較為全面的SBD和MOS規(guī)格推向市場，銷售和融資進展較為順利，但是未來仍要自建FAB 形成IDM掌握產(chǎn)能、研發(fā)獨有工藝，才能產(chǎn)生差異化的競爭優(yōu)勢。
充電樁對成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機會。如果能滿足甚至超過性能需求的同時，以成本優(yōu)勢獲得市場的認可，那么氧化鎵在這個領域的應用就有很大的可能性。
在射頻器件市場，氧化鎵的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。新能源汽車的核心是逆變器，對器件的規(guī)格要求非常高。目前，有意法半導體、日立、安森美、Rohm等企業(yè)能夠量產(chǎn)供應車規(guī)級SiC MOSFET。預計到2026年，這一數(shù)字將增長至22.22億美元（約150億元人民幣），表明氧化鎵在射頻器件市場具有廣闊的應用前景和市場潛力。
電力電子領域的另一項重要應用是48V電池。隨著鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統(tǒng)取代鉛蓄電池12V電壓系統(tǒng)，實現(xiàn)高效、減重、節(jié)能的目的。這些鋰電池系統(tǒng)內(nèi)將廣泛采用48V電壓，對于電子電力系統(tǒng)來說，需要的是高效率的48V→12V/5V轉換。以二輪電動車市場為例，據(jù)2020年的資料顯示，中國電動兩輪車總體產(chǎn)量為4834萬輛，同比增長27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對這樣的市場，氧化鎵、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐壓大電流器件正在瞄準這個應用發(fā)力。
在工業(yè)領域，它有幾大機會和優(yōu)勢，包括單極替換雙極，更高的能效，易于大規(guī)模生產(chǎn)，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來的電力應用中可能扮演重要角色。長期來看，氧化鎵的功率器件預計將在650V/1200V/1700V/3300V的市場中發(fā)揮作用，并預計在2025年至2030年將全面滲透車載和電氣設備領域。短期來說，氧化鎵的功率器件將首先在消費電子、家電以及高可靠、高性能的工業(yè)電源等領域出現(xiàn)。它的這些特性可能使其在硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料之間形成競爭。
筆者認為，未來幾年氧化鎵的競爭焦點將集中在400V平臺的常規(guī)使用650V器件領域。這個領域的競爭將涉及到開關頻率、能量損耗、芯片成本、系統(tǒng)成本、和可靠性等多個因素。然而，隨著技術的進步，平臺可能升級為800V，這將需要使用1200V或1700V器件，這已經(jīng)是SiC和Ga2O3的優(yōu)勢領域。在這個競爭中，初創(chuàng)企業(yè)有機會通過與客戶深入溝通，建立場景認知、車規(guī)體系和客戶心智，為向車企客戶逆變器應用奠定堅實基礎。
總的來說，氧化鎵在功率器件領域有很大的潛力，能夠在多個領域與SiC、GaN等材料進行競爭，滿足高效、低能耗、高頻和高溫等高性能應用的需求。但是，新材料在逆變器和充電器等應用上的滲透需要時間，需要不斷進行面向特定應用的適合規(guī)格的開發(fā)，并逐步向市場推廣。
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