本屆高考畢業(yè)生(高考畢業(yè)季)

本文來自微信公眾號：國科硬科技（ID：guokr233），作者：付斌，編輯：李拓，頭圖來自：視覺中國

我們都被“充電5分鐘，通話2小時”這句話洗腦了。誰不喜歡又快又小的充電頭。

自從手機廠商在快充中使用氮化鎵（GaN）后，這種第三代半導(dǎo)體材料幾乎成為了快充的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)你第一次使用氮化鎵制成的充電頭時，科學(xué)家和工業(yè)界就已經(jīng)瞄準(zhǔn)了更強的第四代半導(dǎo)體材料：氧化鎵（Ga2O3），它能造出更強的充電頭。

目前，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)品三分之二以上完全依賴進口，高端半導(dǎo)體材料更是陷入困境。但氧化鎵不同。這一新興材料在國內(nèi)外都處于工業(yè)化的前夜。我們有突破、超越的潛力，值得特別關(guān)注。

1、出生是巔峰

第四代半導(dǎo)體材料中存在不少“潛力股”，但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍然面臨大量需要解決的科學(xué)問題。氧化鎵已成為繼第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）之后最具市場潛力的材料，很可能在未來10年左右占據(jù)市場主導(dǎo)地位。

氧化鎵有五種異構(gòu)體，即、、、和。其中，-Ga2O3（相氧化鎵）最穩(wěn)定。當(dāng)加熱至1000C或在水熱條件下（即濕法）加熱至300C以上時，所有其他亞穩(wěn)相異構(gòu)體將轉(zhuǎn)化為相異構(gòu)體。構(gòu)象。[1]

相氧化鎵材料是目前半導(dǎo)體界研究最多，也是離應(yīng)用最近的材料，目前產(chǎn)業(yè)化均以相氧化鎵為主，下文討論內(nèi)容也均指代相氧化鎵。

相氧化鎵的熔點為1820。其粉末為白色三角形結(jié)晶顆粒，密度為5.95g/cm3，不溶于水[2]。其單晶具有一定的導(dǎo)電性，不易被化學(xué)物質(zhì)腐蝕，機械強度高，高溫下性能穩(wěn)定，對可見光和紫外光具有較高的透明度，特別是在紫外光和藍光區(qū)域透明，是傳統(tǒng)透明導(dǎo)電材料的特性。沒有的優(yōu)點。[3]

氧化鎵不同異構(gòu)體的具體參數(shù)，列表|國科硬科技

氧化鎵異構(gòu)體之間的互變關(guān)系，圖片來源丨《物理學(xué)報》[4]

氧化鎵被賦予了優(yōu)異的材料性能，注定會成為市場的熱門產(chǎn)品。它具有超寬帶隙（4.2~4.9eV）、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、短吸收截止邊、超強透明導(dǎo)電性等優(yōu)異的物理性能。氧化鎵器件的導(dǎo)通特性幾乎是于碳化硅（SiC）的10倍，理論擊穿場強是碳化硅的3倍多。

不止如此，它的化學(xué)和熱穩(wěn)定性也較為良好，同時能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質(zhì)量、可摻雜的塊狀單晶。

第一代至第四代半導(dǎo)體材料性能對比、制表丨國科硬科技

氧化鎵與硅、氮化硅、碳化硅對比，圖片來源丨《新材料產(chǎn)業(yè)》[5]

但材料領(lǐng)域從來都不是完美的，也從來不存在單槍匹馬的戰(zhàn)斗。一方面，氧化鎵的遷移率和熱導(dǎo)率較低，低于碳化硅和氮化鎵，可能會受到自熱效應(yīng)的影響，導(dǎo)致器件性能下降；另一方面，難以實現(xiàn)p型摻雜、難以制造p型半導(dǎo)體成為實現(xiàn)高性能器件的主要障礙。[6]

幸運的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從室溫升至250時，由氧化鎵制成的器件性能不會出現(xiàn)明顯下降。實際應(yīng)用中很少超過250，氧化鎵器件可以做得非常小、非常小。薄，因此即使熱導(dǎo)率較低，熱管理也可以非常有效[7]。同時，業(yè)界設(shè)計了多種器件配置，有效避免了p型摻雜困難的問題，實現(xiàn)了良好的器件性能。

雖然這兩個缺陷可以避免，但實際應(yīng)用中仍需進一步探討。

使用氧化鎵制成的半導(dǎo)體器件可以實現(xiàn)更高的耐壓、更小的尺寸和更低的損耗，因此在光電檢測、功率器件、射頻器件、氣體傳感、光催化、信息存儲和太陽能利用等方面具有潛力。價值。到目前為止，日盲紫外光電探測器件和功率器件（SBD、MOSFET）是氧化鎵商業(yè)化趨勢明確的兩個領(lǐng)域。

2.準(zhǔn)備是問題

既然優(yōu)點這么多，為什么這條賽道還沒有爆？這是因為氧化鎵的路一直卡在大規(guī)模制備這一步，隨著研究深入和器件應(yīng)用明朗，產(chǎn)業(yè)化的路逐漸鋪平。

氧化鎵的研究主要以應(yīng)用為導(dǎo)向開展，從氧化鎵材料到芯片的轉(zhuǎn)化類似于碳化硅的“襯底外延器件”工業(yè)體系。

氧化鎵材料研究、制表史丨國虎硬科技

襯底是指由半導(dǎo)體單晶材料制成的晶圓。經(jīng)過切割、研磨、拋光等精心加工后，成為芯片制造的基礎(chǔ)材料拋光晶圓；外延是指拋光的單晶襯底。在外延片上生長新的單晶薄膜的過程相當(dāng)于半導(dǎo)體器件的功能部分；器件是能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的某種芯片。晶圓首先要經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、CMP、金屬化學(xué)化、測試等工藝，然后再經(jīng)過切割、封裝等復(fù)雜工藝。

氧化鎵在此過程中既可以作為襯底材料又可以作為外延材料。

不同類型晶圓的優(yōu)點及應(yīng)用，制表|國科硬科技

數(shù)據(jù)來源丨公開信息

晶圓按直徑分為4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等規(guī)格。芯片是從加工好的晶圓上切下來的，但晶圓和芯片是在同一個圓上的，所以只有晶圓越大，才能切出更完整的芯片。晶圓尺寸也與制造工藝密切相關(guān)。目前，14nm以上先進工藝的芯片基本都是采用12英寸晶圓制造，因為晶圓越大，基板成本就越低。[8]

因此，只有將氧化鎵制成一定尺寸的晶圓，才能真正投入產(chǎn)業(yè)化，晶圓尺寸將會越來越大。

單晶生長

生產(chǎn)大尺寸、高質(zhì)量相氧化鎵晶圓非常困難。這是因為其單晶熔點達到1820。高溫生長時容易分解揮發(fā)，容易產(chǎn)生大量氧空位，進而產(chǎn)生孿晶、鑲嵌結(jié)構(gòu)和螺型位錯等缺陷，并在高溫下分解出GaO、Ga2O、Ga等氣體。高溫會嚴(yán)重腐蝕銥坩堝。[9]

氧化鎵單晶生長的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代。制備方法主要有火焰熔融法、直拉法、導(dǎo)模法、光學(xué)浮區(qū)法、布里奇曼法等。

制表業(yè)氧化鎵單晶生長技術(shù)現(xiàn)狀|國科硬科技

目前，世界上走得最遠(yuǎn)的公司是日本NCT公司，該公司是全球氧化鎵襯底的主要供應(yīng)商。該公司利用導(dǎo)模法成功生長了最大6英寸的氧化鎵單晶。但其他方法仍無法生產(chǎn)業(yè)界所需的大尺寸氧化鎵襯底。尺寸基材。

但導(dǎo)模法制造的氧化鎵患有嚴(yán)重的“貴金屬依賴癥”，在制造過程中需要使用基于貴金屬銥（Ir）的坩堝。銥元素全球儲量稀少，每克銥的價格高達上千元，約是黃金價格的3倍，長晶設(shè)備中僅一個坩堝價格就超500萬元。

成本已成為國外產(chǎn)業(yè)的核心問題。常見的方法是通過增大錠尺寸、提高加工速率、延長坩堝壽命來降低銥坩堝成本。更徹底的解決辦法是研究其他轉(zhuǎn)化路線。

對于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)來說，這更是一個難題。雖然我國鎵儲量居世界第三，高純氧化鎵原料儲量豐富，但生長晶體的能耗降低了80%，收率可達50%以上[10]。但我國銥礦儲量并不豐富，依賴進口。供應(yīng)中斷的風(fēng)險。更糟糕的是，坩堝很容易損壞，而且使用次數(shù)有限。如果它很貴，你就買不起。如果它很貴，你就無法承受它的損壞。這是一個無限循環(huán)。[11]

不同氧化物晶體制備方法的優(yōu)缺點比較，圖片來源丨《機械工程學(xué)報》[9]

國內(nèi)氧化鎵單晶生長研究僅開展了十幾年，成熟度和穩(wěn)定性不如國外。中國電科四十六所、西安電子科技大學(xué)、上海光機所、上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、浙江大學(xué)等科研機構(gòu)已開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)技術(shù)并尋求技術(shù)壟斷。但最大限制為加工至4英寸基板。

為了逐步將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)主要策略是減少貴金屬銥的使用，并推動無銥工藝的摸索研究，這種趨勢在產(chǎn)業(yè)化腳步加快之際越來越明顯：初創(chuàng)公司進化半導(dǎo)體宣稱，已開發(fā)出獨創(chuàng)的“無銥法”特色工藝，解決成本痛點[12]；2022年5月，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心則宣稱，已發(fā)明全新的熔體法技術(shù)路線來研制氧化鎵體塊單晶以及晶圓，減少了貴金屬銥的使用，目前已經(jīng)成功制備直徑2英寸的氧化鎵晶圓。[13]

薄膜外延

外延生長是制備半導(dǎo)體器件的核心工藝之一，與器件性能密切相關(guān)。當(dāng)襯底材料和外延材料均為氧化鎵時，此時的外延稱為同質(zhì)外延生長，反之稱為異質(zhì)外延生長。

受氧化鎵單晶襯底尺寸、質(zhì)量、電學(xué)性能等因素的限制，目前氧化鎵外延生長的研究主要集中在異質(zhì)外延生長。少數(shù)同質(zhì)外延生長方法也是基于最穩(wěn)定和最強的解理面（100）表面襯底。[14]

延伸分類、繪圖丨國科硬科技

目前氧化鎵的外延薄膜沉積技術(shù)包括分子束外延（MBE）、分子有機氣相沉積（MOCVD）、噴霧化學(xué)氣相沉積（mist-CVD）和鹵化物氣相外延沉積（HVPE）。

氧化鎵外延技術(shù)現(xiàn)狀，制表|國科硬科技

參考資料丨《新材料產(chǎn)業(yè)》[5]

國際上主流的技術(shù)有兩種：NCT公司的EFG結(jié)合HVPE技術(shù)和IKZ研究所的Cz結(jié)合MOVPE技術(shù)。但在競賽過程中，由于EFG的晶體尺寸比Cz大，HVPE的外延沉積速率約為MOVPE的10倍，因此EFG結(jié)合HVPE的技術(shù)路線已成為主流并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

雖然國內(nèi)氧化鎵單晶制備技術(shù)取得了重大進展，但國內(nèi)氧化鎵外延技術(shù)相對薄弱。中電四十六所是國內(nèi)氧化鎵技術(shù)領(lǐng)先者：2019年，中電四六所采用導(dǎo)模法制備4英寸氧化鎵晶圓，并于2021年12月成功制備HVPE氧化鎵同質(zhì)外延片，突破性解決了HVPE同質(zhì)外延氧化鎵工藝中的氣相成核和外延層質(zhì)量控制問題，填補了國內(nèi)空白。[15]

設(shè)備應(yīng)用

生產(chǎn)晶圓并不意味著萬事大吉，涉及到的問題也很多。

由于氧化鎵晶體脆性大、解理性能強、斷裂韌性低，傳統(tǒng)的游離磨料磨削加工很容易在表面產(chǎn)生裂紋、凹坑等缺陷。晶圓超精密加工包括研磨、拋光等，會涉及一系列工藝研究，產(chǎn)業(yè)化進程將帶動整個鏈條。[16]

設(shè)備應(yīng)用方面，氧化鎵生長單晶前期主要針對日盲深紫外探測器，2012年氧化鎵同質(zhì)外延片應(yīng)用至功率器件后，才正式開啟了產(chǎn)業(yè)化新紀(jì)元。

目前氧化鎵的研究主要集中在兩種器件形式：肖特基勢壘二極管（SBD）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。通過增強器件結(jié)構(gòu)，不斷刷新?lián)舸╇妷褐怠?/p>

在設(shè)備開發(fā)方面，日本進入該行業(yè)較早。三菱重工、豐田、日本電裝、田村制作所（與NICT合作成立NCT）、日本光波等企業(yè)均已涉足氧化鎵的產(chǎn)業(yè)開發(fā)和布局，且發(fā)展勢頭迅猛。美國相對較慢，Kyma在2020年推出1英寸氧化鎵晶圓。[17]

國際公司/機構(gòu)、制表業(yè)氧化鎵產(chǎn)業(yè)化歷史|國科硬科技

國產(chǎn)氧化鎵器件隸屬于中國電子科技集團公司第十三研究所。采用柵下熱氧化技術(shù)實現(xiàn)的增強型氧化鎵MOSFET器件，閾值電壓為4.1V，開關(guān)比為108；所提出的雙層源場板結(jié)構(gòu)可以有效抑制氧化鎵溝道和氮化硅（SiN）鈍化層中的峰值電場強度，器件擊穿電壓超過3000V。[5]

3、國內(nèi)投融資開始激增

氧化鎵是未來十年的產(chǎn)業(yè)。行業(yè)分析人士表示，預(yù)計到2030年，全球氧化鎵及功率器件市場規(guī)模將達到98.6億元。[18]

在產(chǎn)業(yè)化方面，我國剛剛起步，但不少投資基金已經(jīng)開始關(guān)注氧化鎵的未來，尋找相關(guān)創(chuàng)業(yè)項目和創(chuàng)業(yè)團隊，推動國內(nèi)氧化鎵的發(fā)展。北京鎵科技、杭州富雅鎵、北京明鎵半導(dǎo)體、深圳進化半導(dǎo)體是目前活躍在投融資市場的四家公司——

北京鎵科技是國內(nèi)比較早的公司。于2017年底注冊成立，是國內(nèi)第一家、全球第二家專業(yè)從事氧化鎵半導(dǎo)體材料開發(fā)及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的高科技公司。畢業(yè)于北京郵電大學(xué)?？蒲袌F隊的研究成果轉(zhuǎn)化為公司；[19]

杭州富佳鎵科技有限公司成立于2019年12月，是中科院上海光機所共建硬技術(shù)產(chǎn)業(yè)化平臺、——杭州光機所孵化的科技企業(yè)科學(xué)學(xué)院和杭州市富陽區(qū)政府；[20]

北京明鎵半導(dǎo)體是一家能夠?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)級氧化鎵半導(dǎo)體晶圓小批量供應(yīng)的中國制造商。該公司已開始布局“氧化鎵”材料產(chǎn)業(yè)全鏈路；[21]

深圳進化半導(dǎo)體表示，預(yù)計一年內(nèi)實現(xiàn)2英寸相單晶襯底的小批量生產(chǎn)和銷售，潛在客戶已表示愿意聯(lián)合測試。[12]

國內(nèi)氧化鎵融資主要情況、列表|國科硬科技

據(jù)《中國電子報》預(yù)測，輻射探測傳感器芯片和功率校正、逆變器、高功率和超高功率芯片是氧化鎵的兩個主要方向，特別是在超寬帶隙系統(tǒng)的可用功率和電壓范圍內(nèi)，將發(fā)揮重要作用。有利的應(yīng)用場景包括電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)、電動汽車和光伏太陽能系統(tǒng)中的高壓整流器。[22]

進化半導(dǎo)體CEO徐兆元在接受36氪采訪時表示，碳化硅的研發(fā)花了40年，而氧化鎵只用了10年。緊隨碳化硅腳步的氧化鎵很可能有著類似的發(fā)展路徑：首先在市場門檻較低的快充和工業(yè)電源領(lǐng)域建立起來，然后在汽車領(lǐng)域爆發(fā)。[23]

氧化鎵十年來取得了長足進步，距離成為產(chǎn)業(yè)僅一步之遙。然而，對于材料制備及相關(guān)性能的研究還不夠系統(tǒng)和深入。想要主宰未來，掌握現(xiàn)在的十年是關(guān)鍵。

參考：

[1]RustumR,HillVG,OsbornEF.Ga2O3的多態(tài)性和Ga2O3-H2O體系[J].J.Am.化學(xué)。社會學(xué)會，1952年，74:719-722。https://doi.org/10.1021/ja01123a039

[2]PEARTONSJ,YANGJC,CARYPH,etal.Ga2O3材料、加工和器件綜述[J].AppliedPhysicsReviews,2018,5(1):011301.https://doi.org/10.1063/1.5006941

[3]潘惠平，程峰峰，李林，等。藍寶石襯底上Ga2+xO3x薄膜的結(jié)構(gòu)分析[J].物理學(xué)報，2013,62(4):1-5.’

[4]郭道友，李培剛，陳政委，吳振平，唐偉華。超寬帶隙半導(dǎo)體-Ga2O3、深紫外透明電極及日盲探測器研究進展。物理學(xué)報，2019,68(7):078501.

[5]李龍，龔學(xué)元，李培剛。超寬帶隙半導(dǎo)體氧化鎵材料產(chǎn)業(yè)進展及未來展望[J].新材料行業(yè)，2021(05):14-19。

[6]郝躍.高效半導(dǎo)體器件的進展與展望[J]重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021,33(06):885-890。

[7]CSC化合物半導(dǎo)體：氧化鎵的輝煌潛力（第一部分）.2020.9.8.https://mp.weixin.qq.com/s/dC_96r2MmuWPoT-aUXvv2w

[8]上海科協(xié)：一塊晶圓可以生產(chǎn)多少芯片？2020.8.19.https://mp.weixin.qq.com/s/Ov3P133HQZj4JBJIY6jojA

[9]高尚，李紅剛，康仁科，何一偉，朱相龍。新一代半導(dǎo)體材料氧化鎵單晶制備方法及其超精密加工技術(shù)研究進展[J].中國機械工程學(xué)報，2021，57(09):213-232。

[10]SEMI：SEMI化合物半導(dǎo)體設(shè)備與材料論壇成功舉辦2020.9.30.https://mp.weixin.qq.com/s/EtHVBtIxBlDJhaLYDKufiA

[11]核心魔力：無銥法使熱氧化鎵真正工業(yè)化。2022.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/48RGt-FLfrOQv_NVvrJARg

[12]投資世界：首次發(fā)布|「進化半導(dǎo)體」獲數(shù)千萬天使輪融資，由祥峰投資領(lǐng)投。2021.8.4.https://news.pedaily.cn/202108/475465.shtml

[13]浙江大學(xué)杭州科技創(chuàng)新中心：國際首創(chuàng)！浙江大學(xué)杭州科技創(chuàng)新中心采用新技術(shù)路線，首次成功制備2英寸氧化鎵晶圓。2022.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/OOVhOSV40LdynL9OLpZplg

[14]王新月，張勝男，霍曉青，周金杰，王健，程紅娟。超寬帶隙半導(dǎo)體-Ga_2O_3相關(guān)研究進展[J].人造晶體學(xué)報，2021,50(11):1995-2012。

[15]中國電子科技：國內(nèi)首創(chuàng)！46所成功制備HVPE氧化鎵同質(zhì)外延片。2021.12.9.https://mp.weixin.qq.com/s/17E1AoH4SOilxb12YaYG0Q

[16]姜旺，周海，季健，任祥璞，朱子彥。易劈裂氧化鎵晶片的半凝固研磨工藝[J].表面技術(shù)，2022，51(03):178-185+198。

[17]CSC化合物半導(dǎo)體：展望2021年鎵族技術(shù)：國產(chǎn)氧化鎵功率器件將陸續(xù)推出。2021.2.6.https://mp.weixin.qq.com/s/PY4Qfv8n6Mg6HDIuzv-WEg

[18]創(chuàng)業(yè)邦：融資丨“創(chuàng)業(yè)邦半導(dǎo)體”完成數(shù)千萬元Pre-A輪融資，由鴻泰基金領(lǐng)投。2021.8.20.https://www.cyzone.cn/article/647004.html

[19]劉超.鎵科技：超寬帶隙材料先驅(qū)[J]新材料行業(yè)，2019(01):35-37。

[20]杭州富佳鎵業(yè)官網(wǎng)：http://fujia-hiom.com/

[21]鴻泰家族：鴻泰基金領(lǐng)投，銘鎵半導(dǎo)體完成數(shù)千萬元Pre-A輪融資|鴻泰家族.2021.8.20.https://mp.weixin.qq.com/s/0TtzRuna-5oqJkCWUrdQww

[22]徐子豪.日本成功開發(fā)氧化鎵結(jié)晶新技術(shù)[N].中國電子報，2022-04-29(007)。

[23]36KrPro：硅片成本僅為碳化硅的10%。第四代半導(dǎo)體材料距離商業(yè)化還有多遠(yuǎn)？36氪獨家專訪2022.5.30.https://mp.weixin.qq.com/s/K7l3B2Jb2lxWH-sb7SeIlQ

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