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第四代半导体材料离产业化还有多远

发布时间:2024-01-11发布人:

以碳化硅为代表的第三代半导体材料发展在新能源汽车等领域风头正劲之时,一种更耐高温耐高压、支持更大功率、能耗更低的新一代化合物半导体材料——氧化镓走进业界视线。短短4-5年时间,氧化镓已经出现了高质量的衬底和外延片,发展速度飞快。


如今,手机、电脑等电子产品变得越来越智能、越来越小巧,新能源汽车续航越来越持久,这背后都要归功于半导体材料领域的快速发展。为满足日益增长的多元需求,半导体从以硅、锗为代表的第一代材料,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代材料,以碳化硅、氮化镓为代表的第三代材料,发展到以氧化镓为代表的第四代半导体材料。从第一代半导体材料到第四代半导体材料,禁带宽度逐渐变大,可以更好地适应极端环境。


由于半导体市场对功率密度更高、损耗更低、成本更低、性能更好的功率器件愈加青睐,氧化镓脱颖而出。那么,与碳化硅相比,氧化镓有何优势?资本为何频频关注?氧化镓何时能实现产业化?


01技术研发和产业化驶入快车道


人们对高压、高频、大功率、紫外发光和探测的需求,直接推动了宽禁带半导体和超宽禁带的出现和发展。就功率应用来说,在其他参数相同的情况下,禁带更宽的半导体特性会更优。


作为超宽禁带半导体材料的一种,氧化镓禁带宽度达到4.9eV,超过第三代半导体材料(宽禁带半导体材料)的碳化硅(3.2eV)和氮化镓(3.39eV)。更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带,因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。


近年,国际氧化镓技术研发和产业化进程驶入快车道,尤其是日本。据了解,日本企业正在加紧推进配备在纯电动汽车(EV)上的功率半导体使用的新一代晶圆的实用化,这是一种由氧化镓制成的晶圆,日本新兴企业Novel Crystal Technology计划,从2025年起每年生产2万枚100毫米(4英寸)晶圆,到2028年量产生产效率更高的200毫米(8英寸)晶圆。该公司社长仓又朗人表示,氧化镓无论是性能还是成本都能胜过碳化硅,最终目标是全面转向氧化镓。


此外,日本氧化镓领域知名企业FLOSFIA将大规模生产使用氧化镓材料的功率半导体替代硅基半导体,作为行业国际领军企业,该公司充满信心地预计,2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓,2030年达到15.42亿美元(约合人民币100亿元),达到碳化硅的40%,达到氮化镓的1.56倍。据日本NCT公司预测,氧化镓晶圆的市场到2030年度将扩大到约590亿日元规模。


近期,我国在氧化镓研发方面也取得了一系列进展。3月,西安邮电大学电子工程学院管理的新型半导体器件与材料重点实验室陈海峰教授团队,成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片。此前2月,中国电科46所宣布成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶。2月,中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台,首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。目前国内氧化镓行业以中国电科46所、山东大学、进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等单位为主力。


02无铱制备氧化镓,PK碳化硅的时点即将到来


对于同一种材料,不能“既要便宜,也要性能好”,只能通过开发新一代材料来突破新的性能和成本瓶颈。氧化镓的出现让进化半导体CEO许照原颇为惊喜。一次偶然的机会,让他开始关注氧化镓的性能并开始组建团队进行研发。


功率半导体应用,主要是围绕耐压、电流、功率、损耗、散热几个方面进行评估。“从材料特性来看,氧化镓拥有10倍于碳化硅的功率特性优势,但是成本有潜力做到碳化硅的1/10。”许照原说,与碳化硅一样,氧化镓适用于高功率、大电压领域。相比碳化硅,氧化镓在性能和成本上更具优势。


相关数据显示,从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看,基于氧化镓材料的器件成本为195美元,约为碳化硅材料器件成本的1/5,与硅基产品的成本所差无几。此外,氧化镓的晶圆产线与硅、碳化硅、氮化镓的差别不大,转换成本不高。以目前业界的评估来说,氧化镓的芯片产线改造难度不大,比如将LED的工厂稍加转换就可以开始投入生产。


这么好的材料,为什么走出实验室的速度较慢?谈及原因,许照原解释,因为氧化镓是在高温含氧环境下生长,需要用到耐高温、耐氧化的材料,制备晶体普遍采用铱金作为坩埚材料,产业界对采用这种贵金属才能制备的材料短期内挑战碳化硅的地位抱有怀疑态度。


值得注意的是,目前,进化半导体、日本东北大学,都开发了不使用铱金的“无铱工艺”制备氧化镓,浙江大学在研发相比导模法用铱量大幅减少的“少铱工艺”,都在努力尝试降低氧化镓成本的创新方法。多点发力给了产业界信心,认为氧化镓与碳化硅竞争的时点即将到来。


近日,进化半导体完成近亿元A轮融资,融资资金将主要用于持续研发投入和团队扩充。作为国内目前唯一采用无铱法工艺制备氧化镓的公司,许照原表示,进化半导体未来三年将实现氧化镓衬底的大幅度降价,新工艺有望实现8英寸衬底成本低至500元,仅为同尺寸SiC衬底的1/10。


谈及如何制备氧化镓,目前市面上主要有导模法(EFG法)和无铱法等方法。导模法是当前唯一能制造大尺寸氧化镓衬底的工艺,但是无法实现低成本大批量的产业化供应。事实上,尽管导模法为产业发展作出了巨大贡献,但是这种工艺方法的产业化遇到了较大的障碍,主要是因为导模法需要用到贵金属铱(Ir)。在业界看来,导模法的工艺极限,是可以把氧化镓衬底成本做到同尺寸碳化硅的50%-60%,按现在的发展速度,达到产业链成熟、氧化镓量产应用的时间点大概是10年以后。无铱法则可以大大提速氧化镓的产业化进程。


许照原表示,在设备投入仅5%的情况下,同样时间可以生长一炉次,无铱法制备氧化镓的产量是EFG法的100倍,大幅度降低长晶环节的成本,显著提升了产能,有机会快速形成市场影响。当然技术逐步成熟还需要努力和沉淀,但可以预见,无铱法有利于提高各环节企业热情,促进产业链更加完备。


03“摸着碳化硅过河”


目前致力于氧化镓研发的高校和科研院所越来越多,但做衬底的研究团队相对要少,创业企业更少。由于材料研发投入大、周期长、门槛高,几乎没有技术积累的企业,很难做出成果。


刚刚实现氧化镓材料制备的进化半导体,正在开启新的阶段。许照原打了个比方:“如果我们把做器件、做应用比作炒饭,那前提是你得有米,之前这个米想把它种出来都非常困难,也就没办法大规模应用。目前一个比较大的突破是,我们找到了低成本制造氧化镓材料的可能。”在推进产业化的过程中,进化半导体计划,一方面要满足客户需求,实现送样和小批量供应;另一方面,继续做更大尺寸材料的研发,为大规模产业应用做好准备,实现商务和研发两条腿走路。


氧化镓产业化需要具备至少3个要素:材料成本低;衬底、外延、器件产业链发展完善;实现示范性应用。目前,氧化镓国内产业化程度仍处于初级阶段。一旦氧化镓量产,其超高的性价比会迅速抢占现有新能源汽车的主逆变器、车载充电机等车用半导体市场以及巨大的白电市场。


中国科学院院士郝跃曾表示,氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一,在未来10年左右,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争。


“碳化硅摸着石头过河,氧化镓摸着碳化硅过河。碳化硅发展了40年,氧化镓用了不到10年的工夫就已经发展到了接近于碳化硅发展35年左右的进度。”对于氧化镓的未来,许照原信心满满,他认为一旦第四代半导体衬底可以产业化大规模供应,将引领下游的芯片、模组、系统集成等整个产业链开始联动,生产出性能更好、品种更多样、价格更有优势的产品,为各个领域的应用都带来质的飞跃。不仅有突破国外封锁的重大社会效益,更可为我国带来千亿级的经济效益。

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