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第四代半導(dǎo)體已出現(xiàn)丨氧化鎵能否取代碳化硅?

發(fā)布時(shí)間:2023-12-27發(fā)布人:

隨著數(shù)字化、智能化的時(shí)代到來(lái),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(guò)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(chǎng),讓國(guó)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(chǎng)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(guó)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(guó)在對(duì)中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)來(lái)說(shuō),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(guó)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(chǎng)半導(dǎo)體技術(shù)革命中取得勝利,中國(guó)就有可能從“制造大國(guó)”變成“制造強(qiáng)國(guó)”,從而迎來(lái)一個(gè)世紀(jì)以來(lái)最大的變革。它既是中國(guó)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(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)過(guò)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(guó)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(chǎng)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(chǎng)潛力


氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯,該市場(chǎng)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(jìng)賽中再度保持領(lǐng)先。


據(jù)NCT預(yù)測(cè),氧化鎵晶圓的市場(chǎng)在未來(lái)十年將放量增長(zhǎng),到2030年度將擴(kuò)大到約30.2億元人民幣規(guī)模。FLOSFIA預(yù)測(cè),到2025年,氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開始超過(guò)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(cè),到2030年,氧化鎵功率元件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1,542億日元(約92.76億元人民幣),將超過(guò)氮化鎵功率元件的市場(chǎng)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(lái)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(chǎng)也為氧化鎵提供了巨大的應(yīng)用場(chǎng)景。然而,國(guó)內(nèi)在車規(guī)級(jí)功率器件方面一直很薄弱,目前尚無(wú)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(chǎng),銷售和融資進(jìn)展較為順利,但是未來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(guò)性能需求的同時(shí),以成本優(yōu)勢(shì)獲得市場(chǎng)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(chǎng),氧化鎵的市場(chǎng)容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)。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(zhǎng)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(chǎng)具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)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(lái)說(shuō),需要的是高效率的48V→12V/5V轉(zhuǎn)換。以二輪電動(dòng)車市場(chǎng)為例,據(jù)2020年的資料顯示,中國(guó)電動(dòng)兩輪車總體產(chǎn)量為4834萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)27.2%,鋰電滲透率超過(guò)16%。面對(duì)這樣的市場(chǎng),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(lái)的電力應(yīng)用中可能扮演重要角色。長(zhǎng)期來(lái)看,氧化鎵的功率器件預(yù)計(jì)將在650V/1200V/1700V/3300V的市場(chǎng)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(lái)說(shuō),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(jìng)爭(zhēng)。


筆者認(rèn)為,未來(lái)幾年氧化鎵的競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)中,初創(chuàng)企業(yè)有機(jī)會(huì)通過(guò)與客戶深入溝通,建立場(chǎng)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(lái)說(shuō),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(jìng)爭(zhēng),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(chǎng)推廣。

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