近來，氧化镓(Ga2O3)作為(wèi)一種“超寬禁帶半導體”材藍喝料，得(de)到了持續關注。超寬禁帶半導弟日體也屬于“第四代半導體”，與第三代半導體碳化矽(SiC)、東小氮化镓(GaN)相比，氧化镓的禁帶寬度達到了4.9eV，高于碳化矽的技但3.2eV和氮化镓的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味着件快電子(zǐ)需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，因此氧媽喝化镓具有耐高壓、耐高溫、大(dà)功率、抗輻照等特性。并且，在同西章等規格下，寬禁帶材料可以制造die size得城更小、功率密度更高的器(qì)件，節省配套散熱和晶圓面積，進一步降低(dī門著)成本。
2022年8月，美國商務部産業安全局（BIS）對第讀行四代半導體材料氧化镓和金(jīn)剛石實施出口管制，舞男認為(wèi)氧化镓的耐高壓特性在軍事領域的從數應用對美國國家(jiā)安全至關重要。此後，氧化镓在全球科(kē)兵小研與産業界引起了更廣泛的重視。
氧化镓的性能、應用和成本
1. 第四代半導體材料
第一代半導體指矽(Si)、鍺(Ge)等元素著唱半導體材料；第二代半導體指砷化镓(GaA會美s)、磷化铟(InP)等具有較高遷移率的半導體材料金關；第三代半導體指碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)等寬禁帶半導體材料是匠；第四代半導體指氧化镓(Ga2O3)、金(jīn)剛石(C化風)、氮化鋁(AlN)等超寬禁帶半導體材料，以及是視銻化镓(GaSb)、銻化铟(InSb)等超窄禁帶半導快事體材料。
第四代超寬禁帶材料在應用方面與第三代半導體材料有交疊，件大主要在功率器(qì)件領域有更突出的應用優勢。第四代超窄禁帶技不材料的電子(zǐ)容易被激發躍遷、遷移率高，主要應用于紅外探測、激光器(q公器ì)等領域。第四代半導體全部在我國科(kē)技部的“戰略性電子(照姐zǐ)材料”名單中，很多規格國外禁運、國内也禁止出口，是全球半導體技術争得答搶的高地。第四代半導體核心難點在材料制備，材料端的突破将獲市看得(de)極大(dà)的市場價值。
圖：按照禁帶寬度排序的半導體材料
注：金(jīn)剛石、氮化鋁襯底/外延工(gōng)藝難離到度大(dà)（氣相法生長(cháng)，每小時(shí)幾微米，且尺寸僅舊線毫米級）、成本高等問題，難進入功率器(qì)件領域。（Ref們看：H. Sheoran, et al., ACS Appl. Electr她如on. Mater., 4, 2589, 2林家022）
2. 氧化镓的晶體結構和性質
氧化镓有5種同素異形體，分别為(wèi)α、β都說、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化镓）最為(wèi)穩定，當加爸跳熱至一定高溫時(shí)，其他(tā)亞穩态均轉換為(wèi)β相，來讀在熔點1800℃時(shí)必為(wèi)β相。目前産業化以β相氧化镓為(w錯我èi)主。
氧化镓材料性質：
超寬禁帶，在超高低(dī)溫、強輻射等極端環境下性能穩定，并且對應就訊深紫外吸收光譜，在日盲紫外探測器(qì)有應服購用。
高擊穿場強、高Baliga值，對應耐壓高、損耗低(dī)，是高壓高功率器(你器qì)件不(bù)可替代的明星材料。
注：由于日盲紫外器(qì)件主要使用氧化镓薄膜冷他，本報告中的氧化镓特指單晶襯底，故主要讨論氧化镓在功率器(qì)件嗎問、射頻器(qì)件等領域的應用。
3. 氧化镓：挑戰碳化矽
氧化镓是寬禁帶半導體中唯一能夠采用液相的熔體法生長(c笑購háng)的材料，并且硬度較低(dī)，材料生長(cháng)和加人熱工(gōng)的成本均比碳化矽有優勢，氧化镓将全面煙習挑戰碳化矽。
（1） 氧化镓的功率性能好(hǎo)、損可玩耗低(dī)
氧化镓的Baliga優值分别是GaN和SiC的四倍和十倍，導通(tōng)可購特性好(hǎo)。氧化镓器(qì)件的功率損耗是SiC的1/7，也就是矽基器(請低qì)件的1/49。
（2） 氧化镓的加工(gōn玩身g)成本低(dī)
氧化镓的硬度比矽還軟，因此加工(gōng)難度較小，而S對畫iC硬度高，加工(gōng)成本極高。
（3） 氧化镓的晶體品質好(hǎo)
氧化镓用液相的熔體法生長(cháng)，位錯(cuò街話)（每平方厘米的缺陷個數）＜102cm-2，而SiC用氣相法生長腦服(cháng)，位錯(cuò)個數約105cm-2。
（4） 氧化镓的生長(cháng)速度是SiC的100倍
氧化镓用液相的熔體法生長(cháng)，每小時(shí)長(chán化秒g)10~30mm，每爐2天，而SiC用氣相法生長(cháng)懂有，每小時(shí)長(cháng)0.1~0.房在3mm，每爐7天。
（5） 氧化镓晶圓的産線成本低(dī)，起量快
氧化镓的晶圓線與Si、GaN以及SiC的晶圓線相似度很高，轉換的成得了本較低(dī)，有利于加速氧化镓的産業化進度。從日本經濟新聞網報道的原文樹銀“Novel Crystal Technology在窗商全球首次成功量産以新一代功率半導體材料氧化镓制成的100毫米晶圓，客戶北離企業可以用支持100毫米晶圓的現有設備制造新一代産品，有效運用黑通過去投資(zī)的老設備。”來看，氧化镓不(bù)像SiC姐大需要特殊設備而必須新建産線，潛在可轉換的産能已非常巨大(dà)。聽這
4. 氧化镓的應用領域：功率器(qì)件
氧化镓的四大(dà)機遇：
單極替換雙極：即MOSFET替換IGBT，新能源花時車(chē)及充電樁、特高壓、快充、工(gōng)業電源、電機控制等功率市些訊場中，淘汰矽基IGBT已是必然，矽基GaN、Si這市C、Ga2O3是競争材料。
更加節能高效：氧化镓功率器(qì)件能耗低(dī)，符合碳中和、碳達峰的戰略。很這
易大(dà)尺寸量産：擴徑、生産簡單，芯片工(gōng)藝易實現，成多生本低(dī)。
可靠性要求高：材料穩定，結構可靠，高品質襯底/弟妹外延。
氧化镓的目标市場：長(cháng)期來說(shuō)，氧化镓功率器(q一船ì)件覆蓋650V/1200V/1700V/3300V，預計2025年至2裡可030年全面滲透車(chē)載和電氣設備領域，未來也将在超高錯錢壓的氧化镓專屬市場發揮優勢，如(rú)高壓電見做源真空管等應用領域。
短(duǎn)期來說(shuō)，預計氧化镓功率器(q有北ì)件将在門檻較低(dī)、成本敏感的中高壓市場業光率先出現，如(rú)消費電子(zǐ)、家(ji化可ā)電以及能發揮材料高可靠、高性能的工(gō藍做ng)業電源等領域。
氧化镓容易取勝的市場：
新能源車(chē)OBC/逆變器(qì)/充電樁
DC/DC：12V/5V→48V轉換
IGBT的存量市場
圖：氧化镓在功率器(qì)件的市場預測
（Ref：日本FLOSFIA公司）
5. 氧化镓的應用領域：射頻器(q冷請ì)件
GaN市場需要大(dà)尺寸、低(dī)成本的襯底，才能自可真正發揮GaN材料的優勢。
同質襯底上生長(cháng)同質外延的外延層品質是最好(hǎo)的，業船但由于GaN襯底價格很高，在LED、消費電子(zǐ)算很、射頻等領域采用相對廉價的襯底，如(rú)Si、藍寶石、SiC襯底，但這些襯底樹紅與GaN晶體結構的差異會(huì)造成晶格失配，相當于土自用成本犧牲了外延品質。當GaN同質外延GaN事拿，才能用在激光器(qì)這類要求較高的應用場景坐樹。
GaN與氧化镓的晶格失配僅2.6%，以氧化镓襯底，異質讀機外延生長(cháng)的GaN品質高，且無銥法生長(c通報háng)6寸氧化镓的成本接近矽，有望在GaN射頻器(qì對民)件市場得(de)到重要應用。
圖：2英寸帶有GaN外延層的Synoptics氧化镓晶體管
（Ref：美國空軍研究實驗室AFRL，2020）
表：GaN外延的襯底材料對比
（Ref：[1] 日本C&A公司；[2] S. B.現年 Reese, et al., Joule, 3, 899, 計哥2019, 美國可再生能源實驗室(NREL)）
6. 氧化镓行業相關政策
國内的支持政策：
美國禁運，呼喚國産化：
2022年8月12日，美國商務部産業安全局業弟（BIS）對第四代半導體材料氧化镓（Ga2O在費3）和金(jīn)剛石實施出口管制，認為(微離wèi)其耐高壓特性在軍事領域的應用對美國醫為國家(jiā)安全至關重要。
氧化镓襯底的長(cháng)晶與外延工(光金gōng)藝
1. 半導體材料的長(cháng)晶工(gōng)藝
熔體法是生長(cháng)半導體材料最理想的方式，有以下幾個優勢。
尺寸大(dà)：小籽晶能夠長(cháng)出大(dà)晶體身小；
産量高：每爐晶錠可切出上千片襯底；
品質好(hǎo)：位錯(cuò)可趨于0，晶體品質很好(h道到ǎo)；
長(cháng)速快：每小時(shí)能夠長(cháng)線知幾厘米，比氣相法快得(de)多。
氧化镓是寬禁帶半導體中唯一有常壓液态的材料日藍，即可用上述熔體法生長(cháng)。氧化镓生長日電(cháng)常用的直拉法為(wèi)熔體法的一種，需要子請依賴銥坩埚（貴金(jīn)屬Ir單質），原因是直拉法生長(chán唱朋g)氧化镓需要高溫富氧的環境，否則原料容易玩民分解成Ga和O2，影響産物，而隻有貴金(jīn)屬銥坩埚分制能夠在這種極端環境下保持穩定。
表：半導體材料的長(cháng)晶工(gōng)藝對比
圖：直拉法生長(cháng)氧化镓的示意圖
（Ref：Y. Yuan,et al., Fundamental Res這道earch, 1, 697, 2021）
2. 氧化镓的長(cháng)晶工(gōng)藝
由于直拉法原料揮發較多，氧化镓的長(cháng)晶工(gōng)謝村藝從直拉法逐步演變為(wèi)有銥蓋和模具的導歌時模法，兩種方法均需使用銥坩埚，目前導模法妹訊已成為(wèi)主流的氧化镓長(cháng)晶方法。請門
然而由于銥坩埚的成本和損耗太高，生長(cháng那去)幾十爐後就會(huì)被腐蝕損耗，需要重新熔煉加工(gōng)，且長(c鐘機háng)晶過程中，銥會(huì)形成雜質進入晶體日愛，産業界有很強的無銥法開(kāi)發需求。
2022年4月，日本經濟新聞網發布了一則消息，日本C&女音amp;A公司采用一種銅坩埚的直拉法生長(cháng)出個老2寸氧化镓單晶，能夠将成本降至導模法的1/100討是。
圖：兩種有銥法生長(cháng)氧化镓的示意圖及其氧化镓單晶産物：（左）直拉法快舞；（右）導模法
（Ref：K. Heinselman,et 外大al., Cryst. Growth Des., 22, 48森綠54, 2022；Y. Yuan, et a線自l., Fundamental Research,高城 1, 697, 2021）
圖：無銥法制備的氧化镓單晶
（Ref：日本C&A公司，2022）
氧化镓生長(cháng)的工(gōng)藝流程從原料在靜低坩埚中熔化和拉晶開(kāi)始，之後經過切、磨、抛的工(gōng)序，形人分成氧化镓單晶襯底。再經過外延工(gōng)藝，得(de)到鐘書同質外延或異質外延結構，最終加工(gōng)為(wèi)氧化镓女討晶圓。
圖：無銥法與導模生長(cháng)氧化镓的工(gōng)藝流程
（Ref：K. Heinselman,et al., Cryst. 理就Growth Des., 22, 4854, 20笑關22；日本C&A公司）
3. 有銥、無銥的成本對比
有銥法：美國國家(jiā)可再生能源實驗室（NREL）預測，在無額作拍外晶圓制造工(gōng)藝優化的情況下，有銥學票法長(cháng)6寸氧化镓的成本為(wèi)283美金(jīn)（≈2近都000元人民币），采用各種節約成本的措施後，能夠降到195美金化妹(jīn)。其中，銥坩埚及其損耗占據過半。
無銥法：日本C&A公司報導了2寸無在服銥法的成果，宣稱成本能夠大(dà)幅下降至導模法的1/100。
圖：有銥法生長(cháng)氧化镓襯底的成本分析
（Ref：S. B. Reese, et al., Joule,我亮 3, 899, 2019, 美國可再生唱我能源實驗室(NREL)）
4. 氧化镓同質外延
氧化镓外延的速率與襯底的晶面取向相關，(100)面化訊同質外延最難，(001)和(010)面較容易，因此在外延和器(qì都喝)件工(gōng)藝中，基本都是選擇(0冷筆01)或(010)面的氧化镓襯底。熔體法生長(cháng)的優勢面即(01事她0)徑向面，但是目前主流的EFG導模法僅可得(de)到狹窄長(c子些háng)方形晶片，側面的(100)面最容易獲得(de)大(dà)黑但尺寸，為(wèi)了得(de)到有價值的(001)和(010)樹筆面，必須制備大(dà)厚度的晶體進行斜角側切，而大(dà)厚度晶體男對工(gōng)藝較難實現，僅日本報道了超過10mm厚度的公議晶體，因此目前僅日本可以供應(001)和(010)面的襯底。習匠
2014年，日本東京農工(gōng)大(d相東à)學首次在(001)面獲得(de)大(dà)尺寸的外延薄膜，同時(shí)厭議，2012-2015年間，β-Ga2O3大(dà)晶圓尺寸雪畫提高到了4寸，氧化镓的外延工(gōng)藝推動了器(qì)件的發展，真正開(k民森āi)啟了氧化镓功率器(qì)件的應用。這鄉朋就要求氧化镓的襯底廠商能夠提供多規格晶面的産品。
目前，氧化镓外延工(gōng)藝有HVPE（鹵化物氣相外延）和MOCV科著D（金(jīn)屬有機物化學氣相沉積），HVPE設備可沉積厚膜、長(chá土志ng)膜速度快、設備造價低(dī)，但相關設備國外已禁運，我國産業錯鐵界正在呼喚國産化的能力。日本NCT公司已使用HVPE實現了6英寸下水的氧化镓外延工(gōng)藝。
5. 氧化镓的摻雜與器(qì)科明件應用
與SiC類似，氧化镓也有導電襯底和半絕緣襯底，通(t風厭ōng)過摻雜不(bù)同的元素獲得(de)，在功率器(很電qì)件中有不(bù)同的應用。
圖：不(bù)同摻雜下的氧化镓單晶（直拉法）
（左）摻Si，N型導通(tōng)；（中）非故意摻雜，N型高阻校看；（右）摻Mg，絕緣
（Ref：Z. Galazka, et al, Journal麗聽 of Crystal Growth, 404(184到暗), 2014）
圖：(左)典型的氧化镓SBD垂直結構，采用了Si摻雜的導通市上(tōng)襯底；(右)典型的氧化镓MO綠唱SFET平面結構，采用了Fe摻雜的絕緣襯底
（Ref：J. Zhang, et al, Journal 大煙of Synthetic Crystals, 49(11), 2020；Y.舊是 Lv, et al., Journal志個 of Inorganic Mater., 23(9),跳月 2018）
氧化镓的學術研究、應用發展
1. 氧化镓襯底競賽
SiC從2寸到6寸花了20年（1992-2012），而氧化镓從2寸畫都到6寸僅4年（2014-2018）
國外：日本NCT公司領跑全球氧化镓産業，供湖長應全球近100%的氧化镓襯底，2寸片2.5萬元，4寸片5-6萬元。
國内：中電科(kē)46所在2018年創造了國内的氧化镓4寸記錄，山東大(d時站à)學于2022年也報道了4寸，目前國内還未紙做出現有量産能力的公司或院校(xiào)，一定程度上限制于銥坩埚的成本。
圖：國内外氧化镓襯底尺寸進度
（注：CZ為(wèi)直拉法，EFG為(wèi)導模法，均需要用拿有銥坩埚，貴金(jīn)屬銥的價格約為(wèi)黃金(厭著jīn)的三倍。NICT：日本國立信通(tōng)院；Tamura輛土：日本田村制作所；Namiki：日本精密寶石株式會(huì)社；IKZ：美個德國萊布尼茲晶體生長(cháng)研究所）
2. 氧化镓器(qì)件競賽
美國：美國的器(qì)件研究成果最突出，各種創新的結構和工(gōng)藝車國極大(dà)地推動了氧化镓器(qì)件的進步。
日本：得(de)益于襯底和外延片的本國供應，最先形成日本國内的氧化镓家行産業鍊。
中國：随着我國襯底和外延的進步，器(qì)件相關結果也達到了國際水平。
圖：國内外氧化镓SBD器(qì)件進展
（Ref：W. Li, et al., IEEE Elec兵下tron Device Letters, 41(1), 20亮舞20；X. Wang, et al., Journal of Syntheti志東c Crystals, 50(11), 2021.
NICT：日本國立信通(tōng)院；Cornell：美國康奈爾大了場(dà)學）
圖：國内外氧化镓MOSFET器(qì)件進展
（Ref：S. Sharma, et al., IEEE Ele紙跳ctron Device Letters, 41(6), 2020；X外笑. Wang, et al., Journal o照讀f Synthetic Crystals, 50(11), 2醫是021.
NICT：日本國立信通(tōng)院；ARFL：美我空國空軍研究實驗室；Buffalo：美國紐約近相州立大(dà)學布法羅分校(xiào)）
3. 針對氧化镓材料缺點的研究
（1) 解決導熱率低(dī)的問題
盡管氧化镓存在熱量方面的挑戰，但氧化镓的散熱暗中是工(gōng)程可以解決的問題，并不(bù)構成産業化障礙。如(rú)下南窗圖所示，美國弗吉尼亞理工(gōng)大(dà)學通人習(tōng)過雙面銀燒結的封裝方式解決散熱問題，能夠導走肖特基結處産生的熱量，事看在結處的熱阻為(wèi)0.5K/W，底處1就地.43，瞬态時(shí)可以通(tōng)過高達70A的浪湧電流。
圖：美國弗吉尼亞理工(gōng)大(dà)學的器(qì)件結構化新，采用雙面銀燒結的封裝方式解決散熱問題
（Ref：B. Wanget al., IEEE El吧請ectron Device Lett., 42(8), 2021）
(2) 解決P型摻雜
氧化镓能帶結構的價帶無法有效進行空穴傳導，因此難以制造P型半導體。近空作期斯坦福、複旦等團隊已在實驗室實現了氧化镓P型器(qì)件，預車好計将逐步導入産業化應用。如(rú)下圖所示，斯坦福大(dà)街關學在2022年8月發表了實驗室實現氧化镓P型垂直結構的成果，以Mg-SOG鎂體很擴散的方式，形成PN結，開(kāi)啟電壓為(wèi)7話事V，開(kāi)關速度109。
圖：斯坦福大(dà)學的器(qì)件結構，在實驗室形成疑水業似pn結
（Ref：K.Zenget al., IEEE Electron Device笑可 Lett., 43(9), 2022）
氧化镓的産業鍊與市場空間
1. 氧化镓産業鍊
氧化镓襯底和外延環節位于功率器(qì)件的産業鍊上遊。類比話通碳化矽産業鍊，價值集中于上遊襯底和外延環節：1顆碳化矽器(一麗qì)件的成本中，47%來自襯底，23%來自腦喝外延，襯底+外延共占70%。
随着氧化镓的成本進一步降低(dī)，襯底占比會(房聽huì)比SiC小得(de)多。
圖：氧化镓的産業鍊
2. 氧化镓在功率器(qì)件的市場
日本氧化镓領域知名企業FLOSFIA預計，2025年化了氧化镓功率器(qì)件市場規模将開(kā行坐i)始超過GaN，2030年達到15.42億美元（約人民币100億元），雨唱達到SiC的40%，達到GaN的1.56倍。（注：FLOSFIA預鐵但測的數據比Yole預測的偏保守，Yole預測2027年碳林暗化矽功率器(qì)件市場容量62.97億美元，FL舞地OSFIA預測2030年38.45億美元。）
僅就新能源車(chē)市場而言，2021年全球新能源車(chē)銷量65身算0萬輛，新能源汽車(chē)滲透率為(wèi)14.8%，而碳化矽的滲很樂透率為(wèi)9%，随着新能源車(chē)的滲透率提高，市場規模将逐步擴大不制(dà)，目前現在SiC、GaN還遠未達到能夠左右市場的程度，空紙相較而言，氧化镓的發展窗口非常充裕。
圖：全球功率器(qì)件市場和氧化镓功率器(q做懂ì)件市場規模（百萬美元）
（Ref：日本FLOSFIA公司）
3. 氧化镓在射頻器(qì)件的市場
氧化镓在射頻器(qì)件的市場容量可參考碳化矽外延氮化镓器(qì)件的市場腦地。SiC半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛星通(民腦tōng)訊(xùn)、雷達等方向，2020年Si務章C外延GaN射頻器(qì)件市場規模約8.91說不億美元，2026年将增長(cháng)至22.22億美元（約人森爸民币150億元）。
圖：碳化矽外延氮化镓器(qì)件的市場規模（百萬美元）
（Ref：YOLE）
氧化镓的競争格局與産業化進展
日本：IDM全産業鍊領跑全球
國際上隻有日本形成量産并開(kāi)始産業化的應用，主要舞紙應用領域為(wèi)工(gōng)業電源、工(gōng)業電機控制等，慢術産業方以安川電機、佐鳥電機為(wèi)主要代表。日本預計将在20商好23年量産氧化镓功率器(qì)件：
日常NCT公司已在Ga2O3實驗線上制造了器(qì)件樣品，正在建設員一量産線，計劃2023年量産。
日本FLOSFIA将在2023年Q2之前，氧化镓器(qì)件的産能達到每月數十購吃萬個，向汽車(chē)零部件廠商等銷售。
日本電子(zǐ)零部件廠商田村制作所也将在2024年以每月數萬個的規模啟討朋動生産，到2027年将産能提高至每月約6000萬個。
圖：日本FLOSFIA公司的氧化镓功率器(qì)件市場戰略
美國：氧化镓器(qì)件研究最為(wèi)先進
美國目前僅Kyma公司有1寸襯底産品，單晶尺寸上落後于中國，産業鍊也來資較為(wèi)空白。器(qì)件成果非常突出，創新能力強大(dà大一)，各種創新的結構和工(gōng)藝極大(dà)地推動了兒筆氧化镓器(qì)件的進步。
中國：襯底環節緊追日本
我國的氧化镓襯底能夠小批量供應，外延、器(qì)件環節産業化進程頻雨幾乎空白，研發主力軍和突出成果都在高校(xiào)和科(kē)研院行弟所當中。不(bù)過，我國氧化镓器(qì)件的研發處于世界Top3，在IP男匠方面，扭轉了在SiC領域的被動局面。目前的氧化镓的産業階段西兒類似SiC在特斯拉Model 3推出之前的狀态，技術儲備已經完成，如下等待标志性事件引爆市場。
總的來說(shuō)，在未來10年，氧化镓器(qì)件習劇将有可能成為(wèi)直接與碳化矽競争的電力電子(zǐ)雜少器(qì)件，但作為(wèi)半導體新材料，氧化镓長吃市場規模的突破取決于成本的快速降低(dī)。未來幾年兵腦是日本開(kāi)始大(dà)規模導入氧化镓的關鍵階段，中國能否爸弟緊跟業界腳步，需要國内氧化镓産業界攜手努力。動子
