中國領跑第四代半導體材料，氧化鎵專利居全球首位
電子發燒友網報道（文/李寧遠）半導體材料的突破一直是推動半導體行業發展的一大助力，為了滿足日益多元化的芯片需求，半導體材料從以硅、鍺為代表的第一代半導體，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體逐步發展到以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代以及以氧化鎵、氮化鋁為代表的第四代半導體。目前以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體器件正發展得如火如荼，在商業化道路上高歌猛進。
與此同時，第四代半導體材料的研究也頻頻取得突破性進展。氧化鎵，極具代表性的第四代半導體材料，本質是一種無機化合物，又名三氧化二鎵。因其突出的特性在未來，極有可能成為高功率、大電壓應用領域的主導材料。
氧化鎵電子器件的優勢在哪里？
在后摩爾時代，寬禁帶半導體材料性能上的優勢對電子器件的效率、密度、尺寸等各方面都有著決定性影響。從市面上目前已經商用的氮化鎵、碳化硅第三代半導體器件可以很明顯地看到相關器件在耐壓值、損耗、功率、頻率方面的優勢，氧化鎵材料則是比第三代半導體材料更有優勢。
從材料本身的特性來說，氮化鎵的禁帶寬度大概在3.5eV，碳化硅的禁帶寬度在3.2eV。氧化鎵的禁帶寬度在4.8eV。半導體器件的反向耐壓，正向壓降都和材料的禁帶寬度高度相關，氧化鎵的優勢也就不言而喻。
以目前氧化鎵非常典型的光電器件應用來說，禁帶寬度的提高意味著用這種材料制備出的光電器件所發出的光或能夠探測的光波長就越短。目前用第四代半導體材料制成的光電器件的發光范圍和光探測范圍已經從紅外延伸到紫外。
另一個典型應用，是我們熟悉的功率器件應用。功率器件看重材料的擊穿電強和巴利伽因子（也叫節能指數），硅的擊穿電強只有0.3MV/cm，巴利伽因子為1；即便是現在商業化推進火熱的氮化鎵，擊穿電強已經不低，為3.3MV/cm，但巴利伽因子也只有810。而氧化鎵的擊穿電強有8MV/cm，巴利伽因子高達3444。
這意味著氧化鎵功率半導體阻斷狀態可以承受更高的電壓，導通狀態具備更高的電流密度和低導通壓降，同時滿足更短開關時間和更低損耗開關要求。對比碳化硅功率器件，氧化鎵功率器件可以將導通電阻降低7成，損耗降低86%。氧化鎵這類第四代半導體材料在電子器件應用上優勢明顯，前景廣闊。
氧化鎵各地區布局情況，中國有效專利居首位
從目前的市場來說，基本由兩家日本廠商Novel Crystal Technology（NCT）和FLOSFIA壟斷，其中NCT又占據了絕大部分市場，據NCT預測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量增長，到2030年度市場規模將擴大到約30.2億元人民幣。另外根據富士經濟預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規模有望突破78.8億元人民幣。
FLOSFIA給出的相關預測規模更高，FLOSFIA預計氧化鎵功率器件市場規模在2030年有望突破人民幣100億元人民幣。
氧化鎵全產業鏈目前最成熟的確是日本，從2011年起步到現在，只有日本形成了量產，并圍繞電機、工控等應用開始產業化應用。NCT的2-4英寸氧化鎵襯底已經實現量產，現在正在加緊建設量產線，主要服務于安川電機和羅姆。FLOSFIA在2017年實現了低成本氧化鎵材料的突破，據稱將會在今年量產氧化鎵器件并供給豐田新能源車。
氧化鎵SBD，FLOSFIA
美國對于氧化鎵的研究從2018年開始，目前僅Kyma公司有1寸襯底產品，單晶尺寸上落后于中國，產業鏈也較為空白。不過美國實驗室在氧化鎵器件成果研究上成果非常突出，創新能力強大，各種創新的結構和工藝極大地推動了氧化鎵器件的進步。
目光放回國內市場，我國對半導體材料的關注也在提高，十四五規劃里就將第三代半導體材料作為發展的重點，并且在科技規劃里，將超寬禁帶半導體材料列入了戰略研究布局。目前研發主力軍集中在各個高校實驗室和科研院所中，如中電科46所、上海光機所、北京郵電大學、西安電子科技大學等等。
隨著氧化鎵關注度的提升，國內目前也有不少專注于氧化鎵材料的企業比如鎵族科技、富加鎵業科技、銘鎵半導體、進化半導體等，部分已經實現2-4英寸襯底的制備。在產學研模式的助力下，科研成果也在加速商業化，如鎵族科技已經與合作單位一起實現1000V耐壓的肖特基二極管模型制作，并已經實現5000V耐壓的MOSFET模型制作；銘鎵半導體已有產品級單晶襯底和科研級單晶襯底公布，預計2023年底將建成國內首條集晶體生長、晶體加工、薄膜外延于一體的氧化鎵完整產業線。
氧化鎵單晶，銘鎵半導體
而不久前，在韓國舉辦的氧化鎵功率半導體技術路線圖研討會，會議公布了各國在氧化鎵技術上的專利情況。根據AnA Patent對各個地區對氧化鎵功率半導體元件有效專利分析，截至2022年11月，中、日兩國專利數占據總專利數50%以上（中國568件，日本400件），中國氧化鎵有效專利持有量全球第一。可見我國對新型半導體材料研發的重視。
氧化鎵技術現狀與前景
從不同地區的發展來看，因為相對其他半導體材料，氧化鎵產業化時間短，各地區技術差距雖然存在，但是并沒有想象中那么大，在材料端的突破仍然是各地區在技術上爭搶的高地。商業化目前最快的日本，未來幾年會進入開始大規模導入氧化鎵器件的階段，國內的腳步會稍慢。
從氧化鎵本身的產業化來說也相對容易，因為高純度的氧化鎵儲量豐富，同質外延晶體價格只有碳化硅的五分之一，異質外延晶體價格和硅基基本持平，產業化進程或許會比碳化硅更快。
目前氧化鎵發展尚處于早期階段，雖然前面列舉了它很多技術優勢，但是材料自身還存在導熱性較差和結構上的挑戰。除了技術難點，國內還需要完善上下游市場相關配套設施，借由典型標桿性應用場景加快產業化進度。
小結
總的來說，氧化鎵憑借禁帶、擊穿電強等關鍵性能的優勢，在光電器件、高頻功率器件等領域得到了越來越多的關注和研究興趣。不斷取得突破的氧化鎵未來將幫助半導體器件在功能和性能上進一步做拓展和完善。
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