第四代半導(dǎo)體制備連獲突破，氧化鎵將與碳化硅直接競爭？

我國第四代半導(dǎo)體材料制備近期連續(xù)取得突破。

3月14日，西安郵電大學(xué)宣布，該校陳海峰教授團隊日前成功在8英寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵（GaO）外延片；此前在2月底，中國電子科技集團有限公司（中國電科）宣布，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達(dá)到國際最高水平。

作為備受關(guān)注的第四代半導(dǎo)體材料之一，氧化鎵目前在部分產(chǎn)品上已有使用，但距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚遠(yuǎn)?！暗谒拇雽?dǎo)體材料現(xiàn)在的研究成果距離應(yīng)用落地，我感覺還有5年左右的時間。”國內(nèi)某第三代半導(dǎo)體材料大廠一位高管對第一財經(jīng)表示，“不過看用在哪里，光電類的可能會快一些，日盲探測類現(xiàn)在也有產(chǎn)品，只是襯底尺寸很小?！?/p>

相比第三代半導(dǎo)體材料性能更優(yōu)

第四代半導(dǎo)體材料包括超寬禁帶半導(dǎo)體和超窄禁帶半導(dǎo)體，前者包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁，后者如銻化鎵、銻化銦等。

作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達(dá)到4.9eV，超過第三代半導(dǎo)體材料（寬禁帶半導(dǎo)體材料）的碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV）。更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。

此外，氧化鎵的導(dǎo)通特性約為碳化硅的10倍，理論擊穿場強約為碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。數(shù)據(jù)顯示，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3。

中國科學(xué)院院士郝躍曾表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。

與碳化硅類似，氧化鎵在功率器件領(lǐng)域有更突出的特性優(yōu)勢，目前業(yè)內(nèi)對于氧化鎵的普遍期待都是應(yīng)用在功率器件上，尤其是大功率應(yīng)用場景。

日本氧化鎵領(lǐng)域知名企業(yè)FLOSFIA預(yù)計，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達(dá)到15.42億美元（約合人民幣100億元），達(dá)到碳化硅的40%，達(dá)到氮化鎵的1.56倍。

氧化鎵理論上更具成本優(yōu)勢

在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造尺寸更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積，進一步降低成本。上述大廠高管也表示，相比第三代半導(dǎo)體材料，理論上氧化鎵更有成本優(yōu)勢。

據(jù)悉，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為195美元，約為碳化硅材料器件成本的五分之一，與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。此外，氧化鎵的晶圓產(chǎn)線與硅、碳化硅、氮化鎵的差別不大，轉(zhuǎn)換成本不高。

不過，由于高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難。目前我國大尺寸氧化鎵半導(dǎo)體材料的產(chǎn)出僅限于實驗室與高校，距離規(guī)模量產(chǎn)較遠(yuǎn)，日本則在氧化鎵量產(chǎn)方面走在前列。

據(jù)當(dāng)?shù)孛襟w報道稱，日本新興企業(yè)Novel Crystal Technology正在加緊推進配備在純電動汽車上的功率半導(dǎo)體使用的氧化鎵晶圓的實用化，計劃2025年起每年生產(chǎn)2萬枚100毫米晶圓，到2028年量產(chǎn)生產(chǎn)效率更高的200毫米晶圓。該公司社長倉又認(rèn)為，氧化鎵比碳化硅更占優(yōu)勢。他表示，Novel Crystal擁有可將成本降低到三分之一的自主工藝。

審核編輯 ：李倩