全球氧化镓产业发展概况及对我国的启示

来源:半导体行业观察发布时间:2023-07-314759浏览

来源：中国集成电路. 2023,32(07)，作者：麻尧斌，石健，赵聪鹏，葛婕中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所智库研究人员，谢谢。

摘要

受新能源汽车、5G 通信、光伏和储能等应用需求带动，以及在全球科技博弈加剧的背景下，近年来宽禁带半导体受到全球各国政府与产业界的高度重视和广泛关注，已成为全球经济增长潜力巨大的战略性产业。应该看到，氧化镓相比碳化硅、氮化镓具有更宽的禁带宽度（约 4.9eV 禁带宽度），以及具有 8MV/cm 的理论临界击穿场强，是一种新兴的超宽禁带半导体材料，可用于制备功率器件、微波射频器件以及日盲紫外探测器等半导体器件，在高压电力控制、射频通信和火焰探测等领域具有重大应用价值，已成为国际科技战略必争高地。本文研究了全球氧化镓产业发展现状，剖析了产业发展面临的机遇和挑战，并提出了对我国发展氧化镓产业的几点启示。
关键词：氧化镓；宽禁带半导体；功率器件；晶体管

引言

宽禁带半导体往往具备高的击穿场强、高的电子饱和速度和强的抗辐射等特性，在全球半导体产业博弈加剧的背景下，近年来持续受到产业界的高度关注。宽禁带半导体材料主要以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga2O3）和金刚石等材料为代表。其中，氧化镓作为新一代半导体材料，作为低损失性指标的的巴利加优值（3444）远大于 SiC（340）和 GaN（870），因此采用氧化镓制备的器件有望具备更小尺寸、更低成本以及更低器件损耗等特性，未来有望在功率半导体领域发挥重要作用。在我国传统产业加速向数字化、智能化、绿色化转型升级的过程中，氧化镓作为半导体产业发展的一股新驱动力，若产业关键共性技术取得重要突破，必将与氮化镓和碳化硅一样，深度融入到全球宽禁带半导体发展的浪潮中，未来有望在新能源、工控、变频家电、数据中心、5G、IoT 等领域加速渗透。

发展现状

1.1 从区域发展格局看，受氧化镓自身优势和市场前景驱动，日美等多国正加紧研发与布局
（1）日本已在衬底—外延—器件等产业链环节具备全球领先能力，如日本 NCT 和 FLOSFIA 两家公司引领着日本氧化镓产业发展。其中，NCT 公司目前已实现 2 英寸、4 英寸的衬底及外延的批量化供应，2022 年 7 月宣布计划 2025 年每年生产 2 万片 4 英寸晶圆。另外，FLOSFIA 公司采用喷雾化学气相沉积法已成功制备具有全球最小导通电阻的肖特基二极管，已在日本电装上试用，预计 2023 年将为汽车零部件制造商提供每月数十万的生产能力。
（2）美国已基本形成氧化镓产业链各环节的研究基础。如美国空军研究室已制备出一种抗高压的增强型氧化镓 MOSFET。美国能源部先进能源研究计划署主要资助的 Kyma Technologies 公司亦可提供氧化镓衬底及外延片的供应。
（3）其它国家如德国的 Leibniz 晶体生长研究所、法国 Saint-Gobai 公司等机构均已加入氧化镓材料器件开发中。我国氧化镓发展以科研单位研究为主，在宽禁带半导体的发展浪潮下，涌现出一些初创企业，但产业化进展缓慢。
1.2 从技术发展路径看，导模法为制备β- 氧化镓衬底的主要技术方案，无铱法有望成为新选择
氧化镓产业链包括衬底制备、外延层生长、器件研制以及下游应用环节。当前衬底制备是产业技术发展亟需攻克的核心难点和产业链价值最高的环节。衬底制备主要表现在衬底晶型和工艺方案两方面：①在衬底晶型生长方面，氧化镓具有 α、β、γ、ε 和 δ 五种同分异构体，β- 氧化镓为最稳定的相[1-2]。②在衬底长晶工艺方面，β- 氧化镓单晶衬底可通过基于包括浮动区、导模法和直拉法等多种熔体方法生长，其中导模法是传统直拉法的一种延伸和补充，具备近尺寸生长、异形晶体生长、生长速度快以及加工成本低等优点，已成为业界生长 β-氧化镓的主流技术方案[3]。

近年来，日本东北大学联合初创企业 C&A 公司以及我国进化半导体公司均已提出熔融的无铱技术方案，无铱技术无需使用昂贵的铱坩埚，将显著降低材料制备成本，且材料生长效率显著提高，无铱熔体法未来有望成为制备氧化镓衬底新的技术路径。
1.3 从产业链环节看，镓下游应用广泛，中国上游镓储量在全球占据绝对优势地位
目前镓在发光器件、微波通信、新型显示等领域应用广泛，未来有望在集成电路领域有较大应用前景，正成为电子工业的新粮食。如氮化镓（GaN）和铟氮化稼（InGaN）已成为 LED 成熟的技术解决方案。GaN 在手机快充、5G 通信等方面亦具有广阔应用前景。砷化镓（GaAs）作为第二代半导体材料的代表已在高频、高速、高温及抗辐照等微波器件和高速数字电路中得到重要应用。得益于迁移率高、均匀性好等优势，铟镓锌氧（IGZO）氧化物半导体近年来在大尺寸面板的应用加速渗透。此外，用IGZO 作为有源层制备的场效应晶体管（FET）在集成电路后道工序（IC-BEOL）、常关 CPU（晶体管阈值电压为正，为增强型器件）、DRAM/NAND 和 FPGA 等各种大规模集成电路（LSI）领域有较大应用潜力。作为伴生矿产，镓在地壳中的含量为 5×10^(-4)%~1.5×10^(-3) %，为典型的稀散元素[4]。据统计，当前全球镓的总储量为 23 万吨，中国以占比 8 成以上成为全球金属镓的最大生产国，主要供应美国、欧盟、日本和韩国等经济体[5]。

面临的机遇与挑战

2.1 产业发展面临的机遇

2.1.1 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。
2.1.2 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[6]。
（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。
2.1.3 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。

2.2 产业发展面临的挑战

2.2.1 受产业发展初期限制，技术发展仍需实现关键难点突破
全球近年来虽有企业布局氧化镓，但从技术成熟度、应用规模化以及外围生态方面来讲，仍处于产业发展初期，关键核心技术仍需进一步突破。主要技术难点如下：
（1）在衬底生长方面：一是常用的导模法生长β- 氧化镓熔点达 1820℃，高温生长过程中极易产生大量氧空位，进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷[7]。二是高温下分解生成的 Ga（g）、GaO（g）、GaO2（g）以及 O2（g）等物质会严重腐蚀铱坩埚[8]。材料外延方面，受氧化镓背景载流子浓度高影响，对氧化镓的 n 型掺杂进行精准调控存在困难。
（2）在器件工作方面：一是氧化镓热导率仅为碳化硅的十分之一，硅的五分之一，低的热导率导致器件工作时产生大量热量停留，将极大地限制器件寿命[1]。二是氧化镓薄膜的 p 型掺杂存在困难，给形成双极型和 CMOS 器件带来挑战[9]。
2.2.2 受材料体系供给多样影响，高功率器件未来将面临激烈竞争
当前，功率半导体向更宽禁带演进的趋势愈加明显，未来高功率器件将出现硅基、碳化硅以及氧化镓相互竞存的发展局面。竞争分析如下：
一是硅基 IGBT 带来的竞争。由于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）兼具金属 - 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的高输入阻抗和 BJT 的低导通压降的优点，近年来在新能源汽车、光伏逆变、储能等下游应用市场带动下，IGBT 需求旺盛。据 BrainyInsights 预测，全球 IGBT 市场预计将从 2021 年的72 亿美元增长到 2030 年的 179 亿美元。
二是碳化硅器件加速渗透带来的竞争。由于具备高耐压、低损耗以及高的开关性能等特点，碳化硅正加速渗透到新能源汽车以及光伏发电等领域。据Grand View Research 预测，2030 年全球碳化硅器件市场规模将达到 79.8 亿美元。
三是氧化镓将在未来功率半导体市场崭露头角。据富士经济预测，2030 年氧化镓功率器件市场规模将达到 15 亿美元。
2.2.3 受未来价值进一步提升作用，领先国家对氧化镓管控趋严
氧化镓具备抗高压、强的压电极化系数以及抗辐照等特性，在高压电力控制、移动通信射频和火焰探测（例如导弹尾焰）等场景具备重要应用价值。为此，近年来领先国家加强了管控：
（1）日本经济产业省（METI）不断修订其出口管制的“最终用户名单”，给后发追赶国家采购日企氧化镓衬底及外延片带来阻碍。（2）2021 年 12 月，瓦森纳协定（WA）发布修改后的管制清单，在半导体基板、高阻率材料衬底以及衬底外延层三个物项中，新增氧化镓和金刚石。（3）2022 年 8 月，美国商务部工业与安全局（BIS）对氧化镓技术实施新的出口管制。以上管制动作将为后发追赶者实现氧化镓产业高质量发展和高水平安全良性互动带来较大冲击。

几点启示

3.1 设立专项资金，加速产业关键环节技术突破
一是政府可加大对关键技术研发的资金支持，在国内外招募优秀的研发团队和人才，瞄准氧化镓产业链中衬底制备和外延环节，重点突破氧化镓衬底“无铱法”制备技术、氧化镓抛光研磨技术和氢化物气相外延（HVPE）设备开发。二是政府应支持有条件企业或机构开展试验线建设。利用“赛马”机制，力争 5 年内时间筛选并扶持 1-2 家能够实现氧化镓衬底量产的“先锋”企业。

3.2 培育下游应用，壮大氧化镓半导体产业生态
一是国家层面出台氧化镓规划性政策，调动重点企业、高校院所、产业服务机构、行业协会、产业联盟、国家金融机构、社会资本等全社会资源要素力量，提高半导体氧化镓产业发展新势能。
二是以市场为导向、企业为主体，打造“政产学研资”紧密合作的创新生态，支持行业重点企业联合高等院校、科研院所和行业上下游企业共建制造业创新中心，承担国家重大科技项目，加速孵化氧化镓下游应用企业。3.3 强化风险意识，把握氧化镓产业发展主动权一是加大对氧化镓供应链关键节点布局力度，引导国内优势企业承担设备及零部件、材料及原材料、设计工具、检测设备、厂务设施等环节研制任务。二是推动国内企业或机构实施氧化镓知识产权全球布局，主动设置壁垒，形成多套商业秘密和专利“组合拳”，提高我国氧化镓供应链各环节话语权。

结论

受氧化镓明显优势作用，当前各科技强国政府均重视对氧化镓的投入，宽禁带半导体领域重点企业也密切关注全球氧化镓的发展现状及未来趋势。氧化镓相比碳化硅和氮化镓具有更高的禁带宽度，该材料在高功率、低损耗半导体器件制备方面具有巨大优势，未来在航空航天、5G 通讯、新能源汽车、轨道交通、高端装备、智能电网等众多领域具有巨大潜在的应用，市场前景广阔，且采用氧化镓材料制备的功率器件将在促进我国产业结构升级、节能减排等领域发挥关键作用。政府及我国重点企业、高校院所、产业服务机构、国家金融机构、社会资本等全社会资源要素力量应紧密协同，为我国宽禁带半导体产业实现前沿技术引领和功率半导体等重点领域做大做强尽快注入更大发展新动能。

参考文献：略

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