半導(dǎo)體全面分析（九）：四代半，氧化鎵，2025襯底外延，2030器件應(yīng)用！

一、市場

1. 定義：一代硅→二代砷化鎵→三代碳化硅氮化鎵→四代氧化鎵

一般用禁帶寬度來區(qū)分半導(dǎo)體代際，不知道禁帶是啥的請移步半導(dǎo)體全面分析（一）：兩大特性，三大政策，四大分類！

第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表，用于計算、存儲等

第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵GaAs、磷化銦InP為代表，用于通信、光電器件等

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表，用于光電、功率器件等

第四代半導(dǎo)體材料分兩個方向，一是超窄禁帶以銻化物為代表，主要用于紅外探測領(lǐng)域，市場很小本文不作詳細(xì)介紹；二是超寬禁帶以氧化鎵為代表，主要用于功率器件

四代半導(dǎo)體將會是最后一代半導(dǎo)體，因?yàn)榻麕г僬褪菍?dǎo)體，禁帶再寬就是絕緣體，已經(jīng)到了半導(dǎo)體的極限，四代半也被稱為終極半導(dǎo)體

2. 優(yōu)勢：能耗降低 10 倍、耐高壓提升 3 倍、成本降低 5 倍

氧化鎵有 5 種同分異構(gòu)體，其中 β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定

與三代半代表材料SiC相比，氧化鎵能耗降低?10 倍，耐高壓提升?3 倍

3. 問題：遷移率低、導(dǎo)熱率低、P型半導(dǎo)體

沒有十全十美的材料，氧化鎵材料的主要問題是三個

一是遷移率低，但目前研究表明這些方面對功率元件的特性不會有太大的影響，因?yàn)楣β试男阅芎艽蟪潭壬先Q于擊穿電場強(qiáng)度，不取決于遷移率

二是導(dǎo)熱率低，近年業(yè)界已通過封裝方式解決了散熱問題

三是難以制造P型半導(dǎo)體，現(xiàn)在正在解決，或者采用單極器件

4. 應(yīng)用：功率器件SBD/MOS等、日盲紫外光電探測

日盲紫外光電探測器件、功率器件（SBD、MOSFET）是氧化鎵商業(yè)化趨勢明朗的兩個領(lǐng)域日盲紫外波段（200~280nm）的光線無法透過大氣層，會被大氣層直接吸收。一旦在大氣層中探測到這種光線，那么它要么來源于閃電，要么來源于導(dǎo)彈，要么來源于戰(zhàn)斗機(jī)，可用于導(dǎo)彈逼近預(yù)警、衛(wèi)星通信、各種環(huán)境監(jiān)測、海上搜救、無人機(jī)自動著艦導(dǎo)引、化學(xué)生物探測等

功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，最早可能會出現(xiàn)在快充和工業(yè)電源上，市場門檻比較低，汽車是未來的爆發(fā)點(diǎn)，器件SBD、MOS、OBC、逆變器、IGBT等

5. 規(guī)模：2030 年百億市場

日本市場調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測，2030年氧化鎵市場規(guī)模 12.2 億美元

6. 政策：國外嚴(yán)格禁運(yùn)，中國自力更生

2022年8月12日，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局(BIS)將氧化鎵納入出口管制，我們只能自力更生

二、技術(shù)

7.產(chǎn)業(yè)鏈：襯底→外延→芯片→器件

氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底、外延、芯片、器件，其中襯底外延占 60%~70% 價值

襯底由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓，在經(jīng)過切、磨、拋等仔細(xì)加工后便是芯片制造的基礎(chǔ)材料拋光片，后面詳細(xì)介紹

外延指的是在拋光后的單晶襯底上生長一層新單晶薄膜的過程，外延片相當(dāng)于是半導(dǎo)體器件的功能性部分

外延可以是同質(zhì)外延如氧化鎵基氧化鎵外延片（GaO on GaO）做功率半導(dǎo)體，也可以是異質(zhì)外延如氧化鎵基氮化鎵外延片（GaN on GaO）做光電射頻器件

外延薄膜沉積技術(shù)包括分子束外延技術(shù)（MBE）、分子有機(jī)氣相沉積（MOCVD）、噴霧化學(xué)氣相沉積（mist-CVD)、鹵化物氣相外延沉積技術(shù)（HVPE）等

芯片器件工藝一般從幾百納米到幾千納米，難度不大

8.襯底：EFG導(dǎo)模法、無銥法

氧化鎵襯底制備方法主要包括焰熔法、提拉法、導(dǎo)模法、光浮區(qū)法、布里奇曼法等

焰熔法處于停滯狀態(tài)

焰熔法通過氫氧焰燃燒產(chǎn)生的高溫將落下的材料粉末熔化，熔化的材料滴落在下方的籽晶桿上，逐漸冷卻完成晶體的結(jié)晶生長過程，優(yōu)點(diǎn)在于氫氧焰溫度能夠達(dá)到2800℃且不使用坩堝避免雜質(zhì)污染，但缺點(diǎn)在于氫氧焰的溫度梯度大，晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力較大，生長晶體的氣孔缺陷明顯，現(xiàn)在處于停滯狀態(tài)

光浮區(qū)法困難很大

光浮區(qū)法又稱懸浮區(qū)熔法或垂直區(qū)熔法，采用大功率的鹵素?zé)艉鸵幌盗袡E球面鏡的光學(xué)系統(tǒng)聚焦，使原料棒和單晶籽晶之間產(chǎn)生熔融區(qū)，籽晶和料棒沿著相同或相反的方向緩慢旋轉(zhuǎn)，熔融區(qū)自上而下或自下而上移動，籽晶在熔融區(qū)內(nèi)不斷生長，逐漸完成整個單晶棒的結(jié)晶過程，優(yōu)點(diǎn)在于不采用坩堝，加熱溫度不受坩堝熔點(diǎn)的限制，因此能夠生長熔點(diǎn)極高的晶體材料，但使用的光學(xué)系統(tǒng)很難形成較大的熔融區(qū)，導(dǎo)致其難以生長大尺寸的單晶，同時光浮區(qū)法對光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械傳動裝置的要求嚴(yán)格

布里奇曼法難以實(shí)現(xiàn)大尺寸

布里奇曼法分為水平布里奇曼法和垂直布里奇曼法，將晶體生長原料裝入坩堝，然后將坩堝置入具有單向溫度梯度的生長爐內(nèi)進(jìn)行晶體生長。優(yōu)點(diǎn)在于采用全封閉或半封閉的坩堝，能夠防止原料成分受外界雜質(zhì)的影響，提高晶體的生長質(zhì)量，可以有效控制原料的熔融揮發(fā)現(xiàn)象，有利于生長揮發(fā)性物質(zhì)的晶體，但受貴金屬坩堝尺寸的限制，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸晶體的生長

EFG 導(dǎo)模法日本NCT率先量產(chǎn)，但成本極高

導(dǎo)模法（Edge-defined film-fed growth method）將內(nèi)部留有毛細(xì)管狹縫的耐熔金屬模具浸入單晶爐的熔體中，熔體通過毛細(xì)作用下被吸引到模具上表面，熔體在表面張力的作用下形成一層薄膜并向四周擴(kuò)散，放下籽晶使其與熔體薄膜接觸，控制模具頂部的溫度梯度，使籽晶端面結(jié)晶出與籽晶相同結(jié)構(gòu)的單晶，然后通過提拉機(jī)構(gòu)不斷向上提升籽晶，籽晶經(jīng)過放肩和等徑生長完成整個單晶的制備，優(yōu)點(diǎn)是工藝已經(jīng)跑通，缺點(diǎn)是需要在1800℃左右的高溫含氧環(huán)境下進(jìn)行晶體生長，需要耐高溫耐氧不污染晶體的材料貴金屬銥，銥價格是黃金的三倍，6英寸設(shè)備坩堝造價就超過600萬，日本NCT采用EFG法供應(yīng)了全球幾乎100%的氧化鎵襯底

無銥法潛力很大

提拉法將原料放入單晶爐的銥金坩堝中加熱熔化，精確控制爐內(nèi)的溫度分布，使熔體和籽晶產(chǎn)生一定的溫度梯度，然后將晶桿上的籽晶浸入熔體，以合適的速度提拉并轉(zhuǎn)動晶桿，處于過冷狀態(tài)的熔體逐漸結(jié)晶于籽晶上，隨著晶桿的旋轉(zhuǎn)和提拉，晶體的分子或原子在籽晶和熔體交界上不斷進(jìn)行重新排列，逐漸生長出圓柱狀晶棒，優(yōu)點(diǎn)是可大批量低成本生產(chǎn)大尺寸晶圓，缺點(diǎn)是工藝尚未跑通，日本東北大學(xué)C&A、中國進(jìn)化半導(dǎo)體正在專注開發(fā)

三、產(chǎn)業(yè)

9. 產(chǎn)業(yè)化核心要素：成本、產(chǎn)業(yè)鏈、示范應(yīng)用

氧化鎵要產(chǎn)業(yè)化?，需要具備至少3個要素：一是材料成本降低，足以用于產(chǎn)業(yè)二是襯底、外延、器件產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展完善三是出現(xiàn)示范性應(yīng)用，就像特斯拉Model?3引領(lǐng)SiC、小米快充電頭GaN一樣

10. 全球：日本NCT、Flosfia、C&A

美國、日本、歐洲、韓國、中國臺灣和中國正在開發(fā)氧化鎵晶圓和器件，日本較為領(lǐng)先。2012年日本NCT實(shí)現(xiàn)2英吋氧化鎵晶體和外延；2014年日本NCT實(shí)現(xiàn)2英吋氧化鎵批量產(chǎn)業(yè)化；2017年日本FLOSFIA實(shí)現(xiàn)低成本亞穩(wěn)態(tài)氧化鎵（α相）材料的突破；2018年日本NCT實(shí)現(xiàn)了4英吋氧化鎵材料的突破，日本FLOSFIA實(shí)現(xiàn)了α相氧化鎵外延材料的批量化生產(chǎn)等日本NCT：全球龍頭2015 年?NICT 和村田成立 Novel Crystal Technology，簡稱 NCT，2021年營收超過1億美金，其中中國超過 1 億元

日本FLOSFIA：最快上車2011 年成立，三菱、豐田電裝聯(lián)合投資，擬2023年上車

日本C&A：無銥法2022年成立，源自日本東北大學(xué)，采用無銥法制造出的氧化鎵結(jié)晶的大小約為 5 厘米

11. 中國：銘鎵、進(jìn)化

2000 年上海光機(jī)所開始研究，2014年中科院/山東大學(xué)/中電科啟動襯底研發(fā)，2016年中電科46所首個2英寸，2018年首個4英寸，2022 年科技部將氧化鎵列入“十四五重點(diǎn)研發(fā)計劃”

企業(yè)包括北京鎵族、銘鎵、鎵和、鎵創(chuàng)、富加、進(jìn)化、鎵仁等

銘鎵：導(dǎo)模法龍頭

2020年成立，已完成 4 英寸襯底生長，布局氧化鎵全產(chǎn)業(yè)鏈，是國內(nèi)導(dǎo)模法龍頭

進(jìn)化：無銥法龍頭

2021年成立，采用無銥法生長襯底，布局氧化鎵全產(chǎn)業(yè)鏈，是國內(nèi)無銥法龍頭

12. 產(chǎn)業(yè)化：2025 年襯底外延，2030 年器件應(yīng)用

我們認(rèn)為，2025 年前后四代半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)襯底外延產(chǎn)業(yè)化，2030 年前后打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用