近來(lái),氧化鎵(Ga2O3)作為一種“超寬禁帶半導(dǎo)體”材料,得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導(dǎo)體也屬于“第四代半導(dǎo)體”,與第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比,氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV,高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV,更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價(jià)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。并且,在同等規(guī)格下,寬禁帶材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件,節(jié)省配套散熱和晶圓面積,進(jìn)一步降低成本。
2022年8月,美國(guó)商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局(BIS)對(duì)第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石實(shí)施出口管制,認(rèn)為氧化鎵的耐高壓特性在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)美國(guó)國(guó)家安全至關(guān)重要。此后,氧化鎵在全球科研與產(chǎn)業(yè)界引起了更廣泛的重視。
一、氧化鎵的性能、應(yīng)用和成本
1.1 第四代半導(dǎo)體材料
第一代半導(dǎo)體指硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導(dǎo)體材料;第二代半導(dǎo)體指砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等具有較高遷移率的半導(dǎo)體材料;第三代半導(dǎo)體指碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料;第四代半導(dǎo)體指氧化鎵(Ga2O3)、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等超寬禁帶半導(dǎo)體材料,以及銻化鎵(GaSb)、銻化銦(InSb)等超窄禁帶半導(dǎo)體材料。
第四代超寬禁帶材料在應(yīng)用方面與第三代半導(dǎo)體材料有交疊,主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。第四代超窄禁帶材料的電子容易被激發(fā)躍遷、遷移率高,主要應(yīng)用于紅外探測(cè)、激光器等領(lǐng)域。第四代半導(dǎo)體全部在我國(guó)科技部的“戰(zhàn)略性電子材料”名單中,很多規(guī)格國(guó)外禁運(yùn)、國(guó)內(nèi)也禁止出口,是全球半導(dǎo)體技術(shù)爭(zhēng)搶的高地。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。
1.2 氧化鎵的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
氧化鎵有5種同素異形體,分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3(β相氧化鎵)最為穩(wěn)定,當(dāng)加熱至一定高溫時(shí),其他亞穩(wěn)態(tài)均轉(zhuǎn)換為β相,在熔點(diǎn)1800℃時(shí)必為β相。目前產(chǎn)業(yè)化以β相氧化鎵為主。
氧化鎵材料性質(zhì):
超寬禁帶,在超高低溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下性能穩(wěn)定,并且對(duì)應(yīng)深紫外吸收光譜,在日盲紫外探測(cè)器有應(yīng)用。
高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高Baliga值,對(duì)應(yīng)耐壓高、損耗低,是高壓高功率器件不可替代的明星材料。
1.3 氧化鎵:挑戰(zhàn)碳化硅
氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中唯一能夠采用液相的熔體法生長(zhǎng)的材料,并且硬度較低,材料生長(zhǎng)和加工的成本均比碳化硅有優(yōu)勢(shì),氧化鎵將全面挑戰(zhàn)碳化硅。
1. 氧化鎵的功率性能好、損耗低
氧化鎵的Baliga優(yōu)值分別是GaN和SiC的四倍和十倍,導(dǎo)通特性好。氧化鎵器件的功率損耗是SiC的1/7,也就是硅基器件的1/49。
2. 氧化鎵的加工成本低
氧化鎵的硬度比硅還軟,因此加工難度較小,而SiC硬度高,加工成本極高。
3. 氧化鎵的晶體品質(zhì)好
氧化鎵用液相的熔體法生長(zhǎng),位錯(cuò)(每平方厘米的缺陷個(gè)數(shù))<102cm-2,而SiC用氣相法生長(zhǎng),位錯(cuò)個(gè)數(shù)約105cm-2。
4. 氧化鎵的生長(zhǎng)速度是SiC的100倍
氧化鎵用液相的熔體法生長(zhǎng),每小時(shí)長(zhǎng)10~30mm,每爐2天,而SiC用氣相法生長(zhǎng),每小時(shí)長(zhǎng)0.1~0.3mm,每爐7天。
5. 氧化鎵晶圓的產(chǎn)線成本低,起量快
氧化鎵的晶圓線與Si、GaN以及SiC的晶圓線相似度很高,轉(zhuǎn)換的成本較低,有利于加速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。從日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)報(bào)道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量產(chǎn)以新一代功率半導(dǎo)體材料氧化鎵制成的100毫米晶圓,客戶(hù)企業(yè)可以用支持100毫米晶圓的現(xiàn)有設(shè)備制造新一代產(chǎn)品,有效運(yùn)用過(guò)去投資的老設(shè)備?!眮?lái)看,氧化鎵不像SiC需要特殊設(shè)備而必須新建產(chǎn)線,潛在可轉(zhuǎn)換的產(chǎn)能已非常巨大。
1.4 氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域:功率器件
氧化鎵的四大機(jī)遇:
單極替換雙極:即MOSFET替換IGBT,新能源車(chē)及充電樁、特高壓、快充、工業(yè)電源、電機(jī)控制等功率市場(chǎng)中,淘汰硅基IGBT已是必然,硅基GaN、SiC、Ga2O3是競(jìng)爭(zhēng)材料。
更加節(jié)能高效:氧化鎵功率器件能耗低,符合碳中和、碳達(dá)峰的戰(zhàn)略。
易大尺寸量產(chǎn):擴(kuò)徑、生產(chǎn)簡(jiǎn)單,芯片工藝易實(shí)現(xiàn),成本低。
可靠性要求高:材料穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)可靠,高品質(zhì)襯底/外延。
氧化鎵的目標(biāo)市場(chǎng):
長(zhǎng)期來(lái)說(shuō),氧化鎵功率器件覆蓋650V/1200V/1700V/3300V,預(yù)計(jì)2025年至2030年全面滲透車(chē)載和電氣設(shè)備領(lǐng)域,未來(lái)也將在超高壓的氧化鎵專(zhuān)屬市場(chǎng)發(fā)揮優(yōu)勢(shì),如高壓電源真空管等應(yīng)用領(lǐng)域。
短期來(lái)說(shuō),預(yù)計(jì)氧化鎵功率器件將在門(mén)檻較低、成本敏感的中高壓市場(chǎng)率先出現(xiàn),如消費(fèi)電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域。
氧化鎵容易取勝的市場(chǎng):
新能源車(chē)OBC/逆變器/充電樁
DC/DC:12V/5V→48V轉(zhuǎn)換
IGBT的存量市場(chǎng)
1.5 氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域:射頻器件
GaN市場(chǎng)需要大尺寸、低成本的襯底,才能真正發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢(shì)。
同質(zhì)襯底上生長(zhǎng)同質(zhì)外延的外延層品質(zhì)是最好的,但由于GaN襯底價(jià)格很高,在LED、消費(fèi)電子、射頻等領(lǐng)域采用相對(duì)廉價(jià)的襯底,如Si、藍(lán)寶石、SiC襯底,但這些襯底與GaN晶體結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成晶格失配,相當(dāng)于用成本犧牲了外延品質(zhì)。當(dāng)GaN同質(zhì)外延GaN,才能用在激光器這類(lèi)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
GaN與氧化鎵的晶格失配僅2.6%,以氧化鎵襯底,異質(zhì)外延生長(zhǎng)的GaN品質(zhì)高,且無(wú)銥法生長(zhǎng)6寸氧化鎵的成本接近硅,有望在GaN射頻器件市場(chǎng)得到重要應(yīng)用。
表:GaN外延的襯底材料對(duì)比
1.6 氧化鎵行業(yè)相關(guān)政策
國(guó)內(nèi)的支持政策:美國(guó)禁運(yùn),呼喚國(guó)產(chǎn)化:2022年8月12日,美國(guó)商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局(BIS)對(duì)第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵(Ga2O3)和金剛石實(shí)施出口管制,認(rèn)為其耐高壓特性在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)美國(guó)國(guó)家安全至關(guān)重要。
二、氧化鎵襯底的長(zhǎng)晶與外延工藝
2.1 半導(dǎo)體材料的長(zhǎng)晶工藝
熔體法是生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料最理想的方式,有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。
尺寸大:小籽晶能夠長(zhǎng)出大晶體;
產(chǎn)量高:每爐晶錠可切出上千片襯底;
品質(zhì)好:位錯(cuò)可趨于0,晶體品質(zhì)很好;
長(zhǎng)速快:每小時(shí)能夠長(zhǎng)幾厘米,比氣相法快得多。
氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中唯一有常壓液態(tài)的材料,即可用上述熔體法生長(zhǎng)。氧化鎵生長(zhǎng)常用的直拉法為熔體法的一種,需要依賴(lài)銥坩堝(貴金屬I(mǎi)r單質(zhì)),原因是直拉法生長(zhǎng)氧化鎵需要高溫富氧的環(huán)境,否則原料容易分解成Ga和O2,影響產(chǎn)物,而只有貴金屬銥坩堝能夠在這種極端環(huán)境下保持穩(wěn)定。
表:半導(dǎo)體材料的長(zhǎng)晶工藝對(duì)比
2.2 氧化鎵的長(zhǎng)晶工藝
由于直拉法原料揮發(fā)較多,氧化鎵的長(zhǎng)晶工藝從直拉法逐步演變?yōu)橛秀炆w和模具的導(dǎo)模法,兩種方法均需使用銥坩堝,目前導(dǎo)模法已成為主流的氧化鎵長(zhǎng)晶方法。
然而由于銥坩堝的成本和損耗太高,生長(zhǎng)幾十爐后就會(huì)被腐蝕損耗,需要重新熔煉加工,且長(zhǎng)晶過(guò)程中,銥會(huì)形成雜質(zhì)進(jìn)入晶體,產(chǎn)業(yè)界有很強(qiáng)的無(wú)銥法開(kāi)發(fā)需求。
2022年4月,日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)發(fā)布了一則消息,日本C&A公司采用一種銅坩堝的直拉法生長(zhǎng)出2寸氧化鎵單晶,能夠?qū)⒊杀窘抵翆?dǎo)模法的1/100。
氧化鎵生長(zhǎng)的工藝流程從原料在坩堝中熔化和拉晶開(kāi)始,之后經(jīng)過(guò)切、磨、拋的工序,形成氧化鎵單晶襯底。再經(jīng)過(guò)外延工藝,得到同質(zhì)外延或異質(zhì)外延結(jié)構(gòu),最終加工為氧化鎵晶圓。
2.3 有銥、無(wú)銥的成本對(duì)比
有銥法:美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)預(yù)測(cè),在無(wú)額外晶圓制造工藝優(yōu)化的情況下,有銥法長(zhǎng)6寸氧化鎵的成本為283美金(≈2000元人民幣),采用各種節(jié)約成本的措施后,能夠降到195美金。其中,銥坩堝及其損耗占據(jù)過(guò)半。
無(wú)銥法:日本C&A公司報(bào)導(dǎo)了2寸無(wú)銥法的成果,宣稱(chēng)成本能夠大幅下降至導(dǎo)模法的1/100。
2.4 氧化鎵同質(zhì)外延
氧化鎵外延的速率與襯底的晶面取向相關(guān),(100)面同質(zhì)外延最難,(001)和(010)面較容易,因此在外延和器件工藝中,基本都是選擇(001)或(010)面的氧化鎵襯底。熔體法生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)面即(010)徑向面,但是目前主流的EFG導(dǎo)模法僅可得到狹窄長(zhǎng)方形晶片,側(cè)面的(100)面最容易獲得大尺寸,為了得到有價(jià)值的(001)和(010)面,必須制備大厚度的晶體進(jìn)行斜角側(cè)切,而大厚度晶體工藝較難實(shí)現(xiàn),僅日本報(bào)道了超過(guò)10mm厚度的晶體,因此目前僅日本可以供應(yīng)(001)和(010)面的襯底。
2014年,日本東京農(nóng)工大學(xué)首次在(001)面獲得大尺寸的外延薄膜,同時(shí),2012-2015年間,β-Ga2O3大晶圓尺寸提高到了4寸,氧化鎵的外延工藝推動(dòng)了器件的發(fā)展,真正開(kāi)啟了氧化鎵功率器件的應(yīng)用。這就要求氧化鎵的襯底廠商能夠提供多規(guī)格晶面的產(chǎn)品。
目前,氧化鎵外延工藝有HVPE(鹵化物氣相外延)和MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積),HVPE設(shè)備可沉積厚膜、長(zhǎng)膜速度快、設(shè)備造價(jià)低,但相關(guān)設(shè)備國(guó)外已禁運(yùn),我國(guó)產(chǎn)業(yè)界正在呼喚國(guó)產(chǎn)化的能力。日本NCT公司已使用HVPE實(shí)現(xiàn)了6英寸的氧化鎵外延工藝。
2.5 氧化鎵的摻雜與器件應(yīng)用
與SiC類(lèi)似,氧化鎵也有導(dǎo)電襯底和半絕緣襯底,通過(guò)摻雜不同的元素獲得,在功率器件中有不同的應(yīng)用。
三、氧化鎵的學(xué)術(shù)研究、應(yīng)用發(fā)展
3.1 氧化鎵襯底競(jìng)賽
SiC從2寸到6寸花了20年(1992-2012),而氧化鎵從2寸到6寸僅4年(2014-2018)
國(guó)外:日本NCT公司領(lǐng)跑全球氧化鎵產(chǎn)業(yè),供應(yīng)全球近100%的氧化鎵襯底,2寸片2.5萬(wàn)元,4寸片5-6萬(wàn)元。
國(guó)內(nèi):中電科46所在2018年創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)的氧化鎵4寸記錄,山東大學(xué)于2022年也報(bào)道了4寸,目前國(guó)內(nèi)還未出現(xiàn)有量產(chǎn)能力的公司或院校,一定程度上限制于銥坩堝的成本。
3.2 氧化鎵器件競(jìng)賽
美國(guó):美國(guó)的器件研究成果最突出,各種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝極大地推動(dòng)了氧化鎵器件的進(jìn)步
日本:得益于襯底和外延片的本國(guó)供應(yīng),最先形成日本國(guó)內(nèi)的氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈。
中國(guó):隨著我國(guó)襯底和外延的進(jìn)步,器件相關(guān)結(jié)果也達(dá)到了國(guó)際水平。
3.3 針對(duì)氧化鎵材料缺點(diǎn)的研究
1、解決導(dǎo)熱率低的問(wèn)題
盡管氧化鎵存在熱量方面的挑戰(zhàn),但氧化鎵的散熱是工程可以解決的問(wèn)題,并不構(gòu)成產(chǎn)業(yè)化障礙。如下圖所示,美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)通過(guò)雙面銀燒結(jié)的封裝方式解決散熱問(wèn)題,能夠?qū)ё咝ぬ鼗Y(jié)處產(chǎn)生的熱量,在結(jié)處的熱阻為0.5K/W,底處1.43,瞬態(tài)時(shí)可以通過(guò)高達(dá)70A的浪涌電流。
2、解決P型摻雜
氧化鎵能帶結(jié)構(gòu)的價(jià)帶無(wú)法有效進(jìn)行空穴傳導(dǎo),因此難以制造P型半導(dǎo)體。近期斯坦福、復(fù)旦等團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了氧化鎵P型器件,預(yù)計(jì)將逐步導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
四、氧化鎵的產(chǎn)業(yè)鏈與市場(chǎng)空間
4.1 氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈
氧化鎵襯底和外延環(huán)節(jié)位于功率器件的產(chǎn)業(yè)鏈上游。類(lèi)比碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈,價(jià)值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié):1顆碳化硅器件的成本中,47%來(lái)自襯底,23%來(lái)自外延,襯底+外延共占70%。
隨著氧化鎵的成本進(jìn)一步降低,襯底占比會(huì)比SiC小得多。
4.2 氧化鎵在功率器件的市場(chǎng)
日本氧化鎵領(lǐng)域知名企業(yè)FLOSFIA預(yù)計(jì),2025年氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開(kāi)始超過(guò)GaN,2030年達(dá)到15.42億美元(約人民幣100億元),達(dá)到SiC的40%,達(dá)到GaN的1.56倍。(注:FLOSFIA預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)比Yole預(yù)測(cè)的偏保守,Yole預(yù)測(cè)2027年碳化硅功率器件市場(chǎng)容量62.97億美元,F(xiàn)LOSFIA預(yù)測(cè)2030年38.45億美元。)
僅就新能源車(chē)市場(chǎng)而言,2021年全球新能源車(chē)銷(xiāo)量650萬(wàn)輛,新能源汽車(chē)滲透率為14.8%,而碳化硅的滲透率為9%,隨著新能源車(chē)的滲透率提高,市場(chǎng)規(guī)模將逐步擴(kuò)大,目前現(xiàn)在SiC、GaN還遠(yuǎn)未達(dá)到能夠左右市場(chǎng)的程度,相較而言,氧化鎵的發(fā)展窗口非常充裕。
4.3 氧化鎵在射頻器件的市場(chǎng)
氧化鎵在射頻器件的市場(chǎng)容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)。SiC半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)等方向,2020年SiC外延GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模約8.91億美元,2026年將增長(zhǎng)至22.22億美元(約人民幣150億元)。
五、氧化鎵的競(jìng)爭(zhēng)格局與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
日本:IDM全產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)跑全球
國(guó)際上只有日本形成量產(chǎn)并開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用,主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)電源、工業(yè)電機(jī)控制等,產(chǎn)業(yè)方以安川電機(jī)、佐鳥(niǎo)電機(jī)為主要代表。日本預(yù)計(jì)將在2023年量產(chǎn)氧化鎵功率器件:
日常NCT公司已在Ga2O3實(shí)驗(yàn)線上制造了器件樣品,正在建設(shè)量產(chǎn)線,計(jì)劃2023年量產(chǎn)。
日本FLOSFIA將在2023年Q2之前,氧化鎵器件的產(chǎn)能達(dá)到每月數(shù)十萬(wàn)個(gè),向汽車(chē)零部件廠商等銷(xiāo)售。
日本電子零部件廠商田村制作所也將在2024年以每月數(shù)萬(wàn)個(gè)的規(guī)模啟動(dòng)生產(chǎn),到2027年將產(chǎn)能提高至每月約6000萬(wàn)個(gè)。
美國(guó):氧化鎵器件研究最為先進(jìn)
美國(guó)目前僅Kyma公司有1寸襯底產(chǎn)品,單晶尺寸上落后于中國(guó),產(chǎn)業(yè)鏈也較為空白。器件成果非常突出,創(chuàng)新能力強(qiáng)大,各種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝極大地推動(dòng)了氧化鎵器件的進(jìn)步。
中國(guó):襯底環(huán)節(jié)緊追日本
我國(guó)的氧化鎵襯底能夠小批量供應(yīng),外延、器件環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程幾乎空白,研發(fā)主力軍和突出成果都在高校和科研院所當(dāng)中。不過(guò),我國(guó)氧化鎵器件的研發(fā)處于世界Top3,在IP方面,扭轉(zhuǎn)了在SiC領(lǐng)域的被動(dòng)局面。目前的氧化鎵的產(chǎn)業(yè)階段類(lèi)似SiC在特斯拉Model 3推出之前的狀態(tài),技術(shù)儲(chǔ)備已經(jīng)完成,等待標(biāo)志性事件引爆市場(chǎng)。
總的來(lái)說(shuō),在未來(lái)10年,氧化鎵器件將有可能成為直接與碳化硅競(jìng)爭(zhēng)的電力電子器件,但作為半導(dǎo)體新材料,氧化鎵市場(chǎng)規(guī)模的突破取決于成本的快速降低。未來(lái)幾年是日本開(kāi)始大規(guī)模導(dǎo)入氧化鎵的關(guān)鍵階段,中國(guó)能否緊跟業(yè)界腳步,需要國(guó)內(nèi)氧化鎵產(chǎn)業(yè)界攜手努力
轉(zhuǎn)載微信公眾號(hào):半導(dǎo)體圈子
聲明:本文版權(quán)歸原作者所有,轉(zhuǎn)發(fā)僅為更大范圍傳播學(xué)習(xí),若有異議請(qǐng)聯(lián)系我們修改或刪除:market@cgbtek.com
聯(lián)系方式:
服務(wù)熱線/Service: 400-650-7658 + 8613910297918
郵箱/Email :sales@cgbtek.com
公司網(wǎng)站/Website: http://shenjingke.com.cn
生產(chǎn)基地/Address: 河北省廊坊市香河機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園3期A棟
COPYRIGHT北京華林嘉業(yè)科技有限公司 版權(quán)所有 京ICP備09080401號(hào)