焦点！第四代半导体制备连获突破氧化镓将与碳化硅直接竞争？

来源：第一财经时间：2023-03-16 15:43:50

我国第四代半导体材料制备近期连续取得突破。

3月14日，西安邮电大学宣布，该校陈海峰教授团队日前成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓(GaO)外延片；此前在2月底，中国电子科技集团有限公司(中国电科)宣布，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。

(资料图)

作为备受关注的第四代半导体材料之一，氧化镓目前在部分产品上已有使用，但距离大规模产业化应用尚远。“第四代半导体材料现在的研究成果距离应用落地，我感觉还有5年左右的时间。”国内某第三代半导体材料大厂一位高管对第一财经表示，“不过看用在哪里，光电类的可能会快一些，日盲探测类现在也有产品，只是衬底尺寸很小。”

相比第三代半导体材料性能更优

第四代半导体材料包括超宽禁带半导体和超窄禁带半导体，前者包括氧化镓、金刚石、氮化铝，后者如锑化镓、锑化铟等。

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。

此外，氧化镓的导通特性约为碳化硅的10倍，理论击穿场强约为碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。数据显示，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3。

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。

与碳化硅类似，氧化镓在功率器件领域有更突出的特性优势，目前业内对于氧化镓的普遍期待都是应用在功率器件上，尤其是大功率应用场景。

日本氧化镓领域知名企业FLOSFIA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。

氧化镓理论上更具成本优势

在同等规格下，宽禁带材料可以制造尺寸更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积，进一步降低成本。上述大厂高管也表示，相比第三代半导体材料，理论上氧化镓更有成本优势。

据悉，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五分之一，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。

不过，由于高熔点、高温分解以及易开裂等特性，大尺寸氧化镓单晶制备极为困难。目前我国大尺寸氧化镓半导体材料的产出仅限于实验室与高校，距离规模量产较远，日本则在氧化镓量产方面走在前列。

据当地媒体报道称，日本新兴企业Novel Crystal Technology正在加紧推进配备在纯电动汽车上的功率半导体使用的氧化镓晶圆的实用化，计划2025年起每年生产2万枚100毫米晶圆，到2028年量产生产效率更高的200毫米晶圆。该公司社长仓又认为，氧化镓比碳化硅更占优势。他表示，Novel Crystal拥有可将成本降低到三分之一的自主工艺。