第四代半導(dǎo)體，接力準(zhǔn)備中？

近日，力積電與日本研發(fā)機(jī)構(gòu)合作，開發(fā)出全球獨(dú)家第四代氧化物半導(dǎo)體材料制程技術(shù)，可生產(chǎn)分辨率超過5000ppi的顯示驅(qū)動(dòng)芯片，突破既有元宇宙裝置顯示技術(shù)分辨率、亮度技術(shù)不足限制。力積電預(yù)計(jì)新制程技術(shù)的AR/VR產(chǎn)品可能在明年小量試產(chǎn)，將有機(jī)會(huì)成為全球第一家擁有此技術(shù)的廠商。

消息一出，立刻吸引蘋果、LG等大廠主動(dòng)上門詢問洽談合作。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，以氧化鎵（GaO或者Ga2O3）為代表的第四代半導(dǎo)體有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料。目前，各國的半導(dǎo)體企業(yè)都爭(zhēng)先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。

然而2022年8月，美國商務(wù)部發(fā)布一項(xiàng)臨時(shí)最終決定，對(duì)氧化鎵、金剛石等超寬禁帶半導(dǎo)體材料實(shí)施出口管制，第四代半導(dǎo)體材料再次走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優(yōu)的特性，以及極低的制造成本，在功率應(yīng)用方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

第四代半導(dǎo)體，又熱了起來。這場(chǎng)接力賽，新加了主人公嗎？

為何而“紅”？

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）的元素半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等的化合物半導(dǎo)體材料；第三代半導(dǎo)體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

第四代半導(dǎo)體材料主要是以金剛石（C）、氧化鎵（GaO）、氮化鋁（AlN）為代表的超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體材料，禁帶寬度超過4eV，以及以銻化物（GaSb、InSb）為代表的超窄禁帶（UNBG）半導(dǎo)體材料。在應(yīng)用方面，超寬禁帶材料會(huì)與第三代材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的特性優(yōu)勢(shì)；而超窄禁帶材料，由于易激發(fā)、遷移率高，主要用于探測(cè)器、激光器等器件的應(yīng)用。

氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時(shí)也是一種半導(dǎo)體化合物。其結(jié)晶形態(tài)截至目前已確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩(wěn)定。

圖：β相氧化鎵晶體結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)）

下圖則是在電流和電壓需求方面Si，SiC，GaN和氧化鎵功率電子器件的應(yīng)用的不同領(lǐng)域。

成本也是讓氧化鎵成為吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的重要因素。

基于SiC襯底，普遍采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）獲得高質(zhì)量外延層，隨后在外延層上進(jìn)行功率器件的制造。由于SiC襯底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度，會(huì)進(jìn)一步干擾外延層生長，外延層本身也會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶缺陷，影響后續(xù)器件性能。

GaO和藍(lán)寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀（Bulk）單結(jié)晶狀態(tài)。日本NCT已試做出最大直徑為6英寸（150mm）的晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶圓已經(jīng)開始銷售作研究開發(fā)方向的用途。這種工藝的特點(diǎn)是良品率高、成本低廉、生長速度快、生長晶體尺寸大。而碳化硅（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）材料目前只能使用“氣相法”進(jìn)行制備，未來成本也將繼續(xù)受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。

對(duì)于氧化鎵來說，高質(zhì)量與大尺寸的天然襯底，相對(duì)于目前采用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術(shù)，將具備獨(dú)特且顯著的成本優(yōu)勢(shì)。

圖：GaO與SiC成本對(duì)比（EEPOWER）

功率半導(dǎo)體的行業(yè)特征適合氧化鎵器件的增長。行業(yè)特征是不需要追趕摩爾定律，一般使用0.18~0.5um制程即可，倚重材料質(zhì)量，對(duì)材料和器件的生產(chǎn)工藝要求高，因整體趨向集成化、模塊化，需要開發(fā)新的封裝設(shè)計(jì)。除此之外，新能源車等新興應(yīng)用不斷推動(dòng)新半導(dǎo)體材料興起。新能源、5G等新興應(yīng)用加速第三代和第四代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化需求，我國市場(chǎng)空間巨大且有望在該領(lǐng)域快速縮短和海外企業(yè)的差距。

受下游新能源車、5G、快充等新興市場(chǎng)需求以及潛在的硅材替換市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，目前深入研究和產(chǎn)業(yè)化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術(shù)儲(chǔ)備較弱，真正有技術(shù)的公司面對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)壓力小。

第四代，誰跑的快？

富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)2030年氧化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大。

日本

在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發(fā)全球領(lǐng)先。

據(jù)日本媒體2020年9月報(bào)道，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI）正準(zhǔn)備為致力于開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學(xué)提供財(cái)政支持。METI將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預(yù)計(jì)未來5年的投資額將超過8560萬美元。METI認(rèn)為，日本公司將能夠在本世紀(jì)20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應(yīng)基于氧化鎵的半導(dǎo)體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。

資料顯示， 日本功率元件方向的氧化鎵研發(fā)始于以下三位：日本國立信息通信技術(shù)研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的東脅正高先生、京都大學(xué)的藤田靜雄教授、田村（Tamura）制作所的倉又朗人先生。

NICT的東脅先生于2010年3月結(jié)束在美國大學(xué)的赴任并返回日本，以氧化鎵功率元件作為新的研發(fā)主題并進(jìn)行構(gòu)想。

京都大學(xué)的藤田教授于2008年發(fā)布了氧化鎵深紫外線檢測(cè)和Schottky Barrier Junction、藍(lán)寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發(fā)成果后，又通過利用獨(dú)自研發(fā)的“霧化法”薄膜生產(chǎn)技術(shù)（Mist CVD法）致力于研發(fā)功率元件。

倉又先生在田村（Tamura）制作所負(fù)責(zé)研發(fā)LED方向的氧化鎵單晶晶圓，并將應(yīng)用在功率半導(dǎo)體方向。

三人的接觸與新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）于2011年度提出的“節(jié)能革新技術(shù)開發(fā)事業(yè)—挑戰(zhàn)研發(fā)（事前研發(fā)一體型）、超耐高壓氧化鎵功率元件的研發(fā)”這一委托研發(fā)事業(yè)有一定關(guān)聯(lián)，接受委托的是NICT、京都大學(xué)、田村制作所等?？梢哉f，由這一委托開啟了GaO功率元件的正式研發(fā)。

2011年，京都大學(xué)投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。現(xiàn)在，兩家公司都是日本氧化鎵研發(fā)的中堅(jiān)企業(yè)，必須強(qiáng)調(diào)的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產(chǎn)GaO材料及器件的企業(yè)，整個(gè)業(yè)界已經(jīng)呈現(xiàn)出“All Japan”的景象。

美國

美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)探索了GaO材料的特性，結(jié)果顯示，GaO材料的速度和高臨界場(chǎng)強(qiáng)在快速功率開關(guān)和射頻功率應(yīng)用中具有顛覆性的潛力。在這個(gè)成果的激勵(lì)下，Jessen建立了美國的GaO研究基礎(chǔ)，獲得了首批樣品。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示：“我們之所以能夠成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，是因?yàn)槲覀兡軌虮M早獲得材料”。

中國的氧化鎵

在中國，氧化鎵的研究已經(jīng)進(jìn)行了十年，近幾年也已經(jīng)有所突破。中國科學(xué)院院士郝躍在接受采訪時(shí)明確指出，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競(jìng)爭(zhēng)力的電力電子器件，會(huì)直接與碳化硅器件競(jìng)爭(zhēng)。

2022年5月，浙大杭州科創(chuàng)中心宣布該中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院發(fā)明了全新的熔體法技術(shù)路線來研制氧化鎵體塊單晶以及晶圓，目前已經(jīng)成功制備直徑2英寸（50.8mm）的氧化鎵晶圓。

2022年6月，中國科大微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇論文入選第34屆功率半導(dǎo)體器件和集成電路國際會(huì)議（ISPSD），在高耐壓氧化鎵二極管和增強(qiáng)型氧化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩個(gè)課題取得突破。

國內(nèi)研究氧化鎵的機(jī)構(gòu)和高校還包括西安電子科技大學(xué)、上海光機(jī)所、上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)等。中國電子科技集團(tuán)公司46所成功制作出國內(nèi)第一塊100mm單晶氧化鎵晶圓。

同時(shí)，也有專注于氧化鎵的初創(chuàng)公司也出現(xiàn)，例如北京郵電大學(xué)的唐為華老師從2011年以來致力于氧化鎵材料及器件形成科研成果的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)北京鎵族科技；中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所與杭州市富陽區(qū)政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)——杭州光機(jī)所孵化的科技型企業(yè)，杭州富加鎵業(yè)。

第四代半導(dǎo)體核心難點(diǎn)在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場(chǎng)價(jià)值，這也是我們的突破點(diǎn)，國家在政策和資金方面需要給予大力支持。

作者：米樂