第四代半導(dǎo)體已出現(xiàn)丨氧化鎵能否取代碳化硅？
隨著數(shù)字化、智能化的時(shí)代到來，半導(dǎo)體行業(yè)的熱度不斷高漲。尤其是量子信息和人工智能等高科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，推動(dòng)了半導(dǎo)體以及多功能器件技術(shù)的快速更新和迭代。為適應(yīng)高性能、低成本的要求，業(yè)界將目光投向了第四代半導(dǎo)體，而最受矚目的莫過于氧化鎵。
憑借著一系列優(yōu)異的材料特性，氧化鎵有望改變當(dāng)前的復(fù)合半導(dǎo)體市場，讓國內(nèi)的芯片廠商實(shí)現(xiàn)彎道超車。但氧化鎵材料仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，本文就其優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和市場前景作了較為詳盡的闡述。
出口管制下的半導(dǎo)體關(guān)鍵原料
中國于2023年8月1日起，對(duì)半導(dǎo)體原料的鎵、鍺實(shí)行嚴(yán)格的出口限制。業(yè)內(nèi)對(duì)此意見不一，許多人將此舉視為對(duì)荷蘭 ASML公司加大光刻機(jī)出口限制的一種反應(yīng)。然而，2022年8月美國在對(duì)中國的出口禁令中，也包括了一種高純半導(dǎo)體材料——氧化鎵。美國商業(yè)部的工業(yè)安全管理局（BIS）宣布對(duì)耐高溫耐高壓的四代半導(dǎo)體材料——氧化鎵和金剛石，還有專為3nm及以下芯片設(shè)計(jì)而生的 ECAD軟件，都納入了出口管制范圍。
當(dāng)時(shí)并沒有太多人注意到這一點(diǎn)，但一年之后，中國對(duì)鎵進(jìn)行了出口控制，這才引起了業(yè)界對(duì)第四代半導(dǎo)體關(guān)鍵原料的重視。在半導(dǎo)體行業(yè)中，鎵和鍺是一種重要的原材料，在第一代到第四代半導(dǎo)體中都有應(yīng)用。在摩爾定律面臨瓶頸的今天，具有更大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料如金剛石、氧化鎵、AlN及BN等，其優(yōu)異的物理性能有可能成為下一代信息技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力。
對(duì)于中國來說，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到了一個(gè)非常重要的階段，尤其是美國的各種制裁，更是讓這一技術(shù)的突破發(fā)展變得極為關(guān)鍵。雖然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但只要我們能夠在這場半導(dǎo)體技術(shù)革命中取得勝利，中國就有可能從“制造大國”變成“制造強(qiáng)國”，從而迎來一個(gè)世紀(jì)以來最大的變革。它既是中國科學(xué)技術(shù)實(shí)力的一次大檢驗(yàn)，也是向世人展示中國應(yīng)對(duì)世界科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)的一次好機(jī)會(huì)。
超越碳化硅，氧化鎵的優(yōu)勢(shì)
氧化鎵，這種第四代半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強(qiáng)高（8MV/cm）、導(dǎo)通特性好等優(yōu)勢(shì)。氧化鎵有五種已確認(rèn)的結(jié)晶形態(tài)，其中最穩(wěn)定的是β-Ga2O3。其禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強(qiáng)高達(dá)8 MV/cm，而其導(dǎo)通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低了器件的導(dǎo)通損耗。其特性參數(shù)巴利加優(yōu)質(zhì)（BFOM）高達(dá)3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。
相比于碳化硅和氮化鎵，氧化鎵的生長過程可以使用常壓下的液態(tài)熔體法，這使得其品質(zhì)高、產(chǎn)量大且成本低。但 SiC、 GaN等材料因其特殊性質(zhì)，目前僅能采用氣相法制備，且需
保持較高的溫度、較高的能耗。這意味著，在生產(chǎn)上，氧化鎵會(huì)占據(jù)一定的成本優(yōu)勢(shì)，而國內(nèi)的工廠也會(huì)迅速擴(kuò)大產(chǎn)能。
與SiC相比， 氧化鎵在各方面都優(yōu)于SiC。特別是其較大的禁帶寬度和較高的擊穿場強(qiáng)，使得它在大功率和高頻率應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。
氧化鎵的具體應(yīng)用和市場潛力
氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯，該市場當(dāng)前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia兩大巨頭壟斷。NCT自2012年開始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括2英寸氧化鎵晶體與外延技術(shù)，以及氧化鎵材料的量產(chǎn)等。其高效性與高性能受到了行業(yè)的廣泛認(rèn)可。其在2021年成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并已開始供應(yīng)客戶晶圓，為日本在第三代化合物半導(dǎo)體競賽中再度保持領(lǐng)先。
據(jù)NCT預(yù)測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量增長，到2030年度將擴(kuò)大到約30.2億元人民幣規(guī)模。FLOSFIA預(yù)測，到2025年，氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年將達(dá)到15.42億美元（約100億元人民幣），占碳化硅的40%，是氮化鎵的1.56倍。根據(jù)富士經(jīng)濟(jì)的預(yù)測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規(guī)模將達(dá)到1,542億日元（約92.76億元人民幣），將超過氮化鎵功率元件的市場規(guī)模。這種趨勢(shì)反映了氧化鎵在功率電子設(shè)備中的重要性及其未來的潛力。
在一些特定應(yīng)用領(lǐng)域，氧化鎵有著巨大的優(yōu)勢(shì)。在功率電子領(lǐng)域，氧化鎵功率器件與氮化鎵、碳化硅有部分重合，軍用領(lǐng)域主要應(yīng)用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機(jī)艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等。民用領(lǐng)域則主要應(yīng)用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。
新能源車市場也為氧化鎵提供了巨大的應(yīng)用場景。然而，國內(nèi)在車規(guī)級(jí)功率器件方面一直很薄弱，目前尚無車規(guī)的SiC MOS IDM。雖然有幾家在XFab代工的Fabless企業(yè)可以快速具備較為全面的SBD和MOS規(guī)格推向市場，銷售和融資進(jìn)展較為順利，但是未來仍要自建FAB 形成IDM掌握產(chǎn)能、研發(fā)獨(dú)有工藝，才能產(chǎn)生差異化的競爭優(yōu)勢(shì)。
充電樁對(duì)成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機(jī)會(huì)。如果能滿足甚至超過性能需求的同時(shí)，以成本優(yōu)勢(shì)獲得市場的認(rèn)可，那么氧化鎵在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用就有很大的可能性。
在射頻器件市場，氧化鎵的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。新能源汽車的核心是逆變器，對(duì)器件的規(guī)格要求非常高。目前，有意法半導(dǎo)體、日立、安森美、Rohm等企業(yè)能夠量產(chǎn)供應(yīng)車規(guī)級(jí)SiC MOSFET。預(yù)計(jì)到2026年，這一數(shù)字將增長至22.22億美元（約150億元人民幣），表明氧化鎵在射頻器件市場具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。
電力電子領(lǐng)域的另一項(xiàng)重要應(yīng)用是48V電池。隨著鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統(tǒng)取代鉛蓄電池12V電壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效、減重、節(jié)能的目的。這些鋰電池系統(tǒng)內(nèi)將廣泛采用48V電壓，對(duì)于電子電力系統(tǒng)來說，需要的是高效率的48V→12V/5V轉(zhuǎn)換。以二輪電動(dòng)車市場為例，據(jù)2020年的資料顯示，中國電動(dòng)兩輪車總體產(chǎn)量為4834萬輛，同比增長27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對(duì)這樣的市場，氧化鎵、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐壓大電流器件正在瞄準(zhǔn)這個(gè)應(yīng)用發(fā)力。
在工業(yè)領(lǐng)域，它有幾大機(jī)會(huì)和優(yōu)勢(shì)，包括單極替換雙極，更高的能效，易于大規(guī)模生產(chǎn)，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來的電力應(yīng)用中可能扮演重要角色。長期來看，氧化鎵的功率器件預(yù)計(jì)將在650V/1200V/1700V/3300V的市場中發(fā)揮作用，并預(yù)計(jì)在2025年至2030年將全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域。短期來說，氧化鎵的功率器件將首先在消費(fèi)電子、家電以及高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域出現(xiàn)。它的這些特性可能使其在硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料之間形成競爭。
筆者認(rèn)為，未來幾年氧化鎵的競爭焦點(diǎn)將集中在400V平臺(tái)的常規(guī)使用650V器件領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域的競爭將涉及到開關(guān)頻率、能量損耗、芯片成本、系統(tǒng)成本、和可靠性等多個(gè)因素。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，平臺(tái)可能升級(jí)為800V，這將需要使用1200V或1700V器件，這已經(jīng)是SiC和Ga2O3的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。在這個(gè)競爭中，初創(chuàng)企業(yè)有機(jī)會(huì)通過與客戶深入溝通，建立場景認(rèn)知、車規(guī)體系和客戶心智，為向車企客戶逆變器應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
總的來說，氧化鎵在功率器件領(lǐng)域有很大的潛力，能夠在多個(gè)領(lǐng)域與SiC、GaN等材料進(jìn)行競爭，滿足高效、低能耗、高頻和高溫等高性能應(yīng)用的需求。但是，新材料在逆變器和充電器等應(yīng)用上的滲透需要時(shí)間，需要不斷進(jìn)行面向特定應(yīng)用的適合規(guī)格的開發(fā)，并逐步向市場推廣。
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