本文作者： 竹子
本文來源：全球半導體觀察
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三菱電機公司于7月30日宣布，它已入股Novel Crystal Technology, Inc.（以下簡稱“NCT”），一家開發和銷售氧化鎵晶圓的日本公司。
以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料，憑借耐高溫、抗高壓、開關速度快、效率高、節能、壽命長等特點，近年來業界熱度一路飆升。然而，在寬禁帶半導體材料發展勢如破竹的同時，學術界和科研界不約而同地展望下一代半導體材料——氧化鎵（Ga?O?），并將其視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導體材料的代表。
三菱電機早已在碳化硅領域布局多年，近年來其在室內空調、高速鐵路、車載應用等領域成效明顯，產能也在不斷擴大。隨著氧化鎵材料及應用技術逐步從研發階段向商業化應用轉化，業界認為，氧化鎵未來極有可能成為高功率、大電壓應用領域的主導者。基于此，三菱電機也正式出手了。
三菱電機表示，現在期望通過將其在量損耗、高可靠性功率半導體的設計和制造方面的專業知識與Novel Crystal Technology在鎵生產方面的專業知識相結合，加速其節能氧化鎵功率半導體的開發。
氧化鎵科普，有哪些性能優勢？
氧化鎵作為第四代材料代表，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性好（幾乎是碳化硅的10倍）、材料生長成本低等優勢。業界認為，未來，氧化鎵極有可能成為高功率、大電壓應用領域的主導者。
上述表格橫向對比了氧化鎵與碳化硅、氮化鎵的各項性能差異。可以看出，它的各項性能指標較碳化硅以及氮化鎵有著顯著的優勢。其中最后兩項數據中，BFOM是衡量器件的高功率性能，JFOM是衡量射頻性能。氧化鎵的這兩項數據遠遠高于碳化硅、氮化鎵。因此氧化鎵從材料本質來說，是適合于高功率以及高頻應用的，例如可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發電等領域在能源方面的消耗。
目前已發現的氧化鎵擁有5種同質異形體，材料性質各有千秋。目前研究比較多的是β相（熱穩定性最佳，禁帶寬度~4.8eV），而α相（高禁帶寬度~5.3eV）和ε相（極化率十倍于氮化鎵，適合于高電子遷移率晶體管）方面的研究也逐漸增加。
所以從材料屬性來說，氧化鎵是一種很有希望的超寬禁帶材料。氧化鎵的優勢不僅是材料性能高，更重要的是成本較低。2019年有研究結論提出，氧化鎵的制造成本較硅略有提高，和碳化硅相比僅有它的三分之一。當然這一點從目前的技術看還無法實現。
現階段，氧化鎵材料及應用技術處于研發階段成果向商業化應用轉化的關鍵階段，當下氧化鎵還有諸多技術瓶頸待突破，如：由于高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備較難實現，不完善的上下游市場相關配套設施等。目前業界各方都在攻堅克難，爭取早日領先突破。
氧化鎵前景可期，誰在加碼？
業界資料顯示，目前氧化鎵市場主要由兩家日本廠商NCT和Flosfia壟斷。NCT業界聞名，其由日本國立通信院NICT與田村制作所Tamura聯合成立2012年，NICT發表了首個單晶β-氧化鎵晶體管，擊穿電壓大于250V。同年，NCT突破了2英寸氧化鎵晶體與外延技術，隨后于2014年實現了氧化鎵材料的量產；2017年與田村制作所合作成功開發出全球首創氧化鎵MOS型功率電晶體，大幅降低功耗，僅為傳統MOSFET千分之一；2019年開發出2英寸β型氧化鎵晶圓，不過，由于制造成本高昂，未能被廣泛應用，僅限于實驗室研發；2021年，NCT成功量產4英寸氧化鎵晶圓，并于近年開始供應客戶晶圓，使得日本在第三代化合物半導體競賽中再度拔得頭籌。
值得注意的是，日本田村于2019年實現4英寸氧化鎵的批量產業化，同年該公司還突破了6英寸氧化鎵材料技術。目前的產業進度已有6英寸導模法襯底+6英寸HVPE外延+4英寸晶圓。業界消息顯示，NCT計劃在2023年供應6英寸晶圓。
Flosfia則由日本京都大學孵化，股東涵蓋三菱重工、豐田汽車子公司電裝和日本開發銀行等。2017年高公司實現了低成本α-氧化鎵材料的突破，2018年實現了α-氧化鎵外延材料的量產。據稱2022年量產600V 10A SBD、2023年將年產10萬顆器件供給豐田新能源車。
我國來看，中電科46所于2014年前后開始研發氧化鎵，2016年率先完成制作國內首片2英寸氧化鎵單晶，2018年制備國內首片4英寸氧化鎵單晶，率先完成了由零至一的突破。
今年2月，中國電科46所宣布成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶；此外，今年3月媒體報道，西安郵電大學在超寬禁帶半導體研究上取得重要進展，該校電子工程學院管理的新型半導體器件與材料重點實驗室陳海峰教授團隊成功在8英寸硅片上制備出了高質量的氧化鎵外延片；今年2月，媒體報道中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授課題組聯合中科院蘇州納米所加工平臺，分別采用氧氣氛圍退火和氮離子注入技術，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管。去年12月，銘鎵半導體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術突破，成為國內首個掌握第四代半導體氧化鎵材料4英寸相單晶襯底生長技術的產業化公司。
總體來看，我國仍以數十家科研院所為主要研發力量，此外，部分企業（銘鎵半導體、鎵族科技、富加鎵業、利瀧半導體、進化半導體等）也在加碼。
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