氧化镓打开芯片大战新篇章！

氧化镓是一种很有前途的材料，可用于制造用于电动汽车和其他应用的更高效的功率器件。引人注目的是，该领域领先的美国公司的一个主要投资者是美国国防部。

正如参与其商业化的日本公司Taiyo Nippon Sanso所解释的，“其作为功率器件的理论性能远高于硅，也超过了碳化硅和氮化镓，是一种优秀的材料。”美国、日本、欧洲、韩国、台湾和中国正在开发氧化镓晶圆和器件。当美国政府对氧化镓的国家安全影响发出警告时，日本正在引领其商业化。

氧化镓材料简述

GaO氧化镓单晶材料，是继Si、SiC及GaN后的第四代宽禁带半导体材料，已知晶相共6种，包括α，β，γ 等5 种稳定相和1 个瞬态相κ－GaO，其中β 相为热力学稳定相。GaO熔点约为1793 ℃，高温下其他相均转变为β－GaO，通过熔体法只能生长获得β－GaO单晶。β－GaO在体块单晶生长方面，相对其他晶相具有明显优势。

材料特性

更高的禁带宽度，晶体禁带宽度约为4.7eV，远大于Si( 1.1 eV)、GaAs( 1.4 eV) 、SiC ( 3.3 eV)及GaN ( 3.4 eV) 等材料。大的禁带宽度使β－GaO具备制作高耐压、大功率、低损耗功率器件及深紫外光电器件的能力，可以弥补现有半导体材料的不足。

低制作成本，β－GaO在材料制备方面优势明显。β－GaO与单晶Si、GaAs 类似，可以采用熔体法生长，晶体制备成本较低。

器件尺寸更小，由于GaO优良的材料特性，GaO材料制作的半导体器件尺寸会更小。

劣势：迁移率低、导热率低。

制备方法

氧化镓单晶生长的研究最早可追溯到20世纪60年代，由于氧化镓单晶的熔点较高（约为1820 °C），在高温生长过程中极易分解挥发，导致氧化镓单晶在生长过程中不稳定，容易产生大量的氧空位，进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷；此外，高温下氧化镓分解生成的 GaO、Ga等气体还会严重腐蚀铱金坩埚，因此生长大尺寸高质量的 β-GaO单晶非常困难。

氧化镓单晶的生长方法主要包括焰熔法、提拉法、光浮区法、导模法、布里奇曼法等，主流制备方法有提拉法和导模法，其中导模法最接近产业化。

导模法(Edge-defined film-fed growth method)又称为边缘限定薄膜供料生长法，于20世纪60年代由英国的HAROLD和苏联的STEPANOV 相继提出，该方法实际上是提拉法的一种变形，其生长晶体的原理与提拉法类似，是一种近尺寸成型生长晶体技术，能够直接从熔体中生长出所需形状的晶体毛坯，但其对模具的材料和设计要求较高。

导模法生长晶体的原理如下图所示，将内部留有毛细管狭缝的耐熔金属模具浸入单晶炉的熔体中，熔体通过毛细作用下被吸引到模具上表面，熔体在表面张力的作用下形成一层薄膜并向四周扩散，放下籽晶使其与熔体薄膜接触，控制模具顶部的温度梯度，使籽晶端面结晶出与籽晶相同结构的单晶，然后通过提拉机构不断向上提升籽晶，籽晶经过放肩和等径生长完成整个单晶的制备，模具顶部的外形和尺寸大小决定了导模法生长晶体的截面形状。

与提拉法相比，导模法的优点在于其可以实现定形/定向的晶体生长，晶体的截面形状和尺寸由模具顶部边缘的形状和尺寸决定，且晶体生长速度快，材料利用率高，生产成本低，便于实现晶体生长的产业化。导模法已在蓝宝石、单晶硅、闪烁晶体的制备中广泛使用，但导模法的缺点在于其对模具设备和工艺操作要求较复杂。

在导模法生长氧化镓单晶技术方面，目前日本走在国际的前列。近年来，日本田村株式会社的 KURAMATA 等对导模法生长氧化镓单晶技术进行了大量的研究，该公司采用导模法成功生长出6英寸高质量氧化镓单晶，并实现了2英寸氧化镓单晶的产业化，处于国际领先地位。

与第三代半导体衬底环节的对比

1、  晶片尺寸 

三种材料目前的尺寸基本相当，即单片衬底的芯片产出相差不大（GaO器件做成垂直器件相对会更小，此处差异忽略不计）。SiC已有8寸单晶衬底、GaN（自支撑）目前有4寸量产产品，6寸样品刚进入市场，未量产暂时未考虑。

2、设备投入：（晶体生长炉+坩埚+晶体加工设备）

GaO设备投入每条产线投入约350万，SiC设备投入每条产线550万，GaN设备投入每条产线800万。

3、生产效率 

GaO每月可产出8炉，年产80炉，可产800片，边角料短期内还可切成10mm * 10mm的小片销售给科研单位研究用，每炉100片，年产8000片小片。SiC每月可产4炉，年产40炉，可产400片，不能按小片销售，且良率按30%算约为120片。GaN自支撑衬底产量更小。

外延及芯片加工阶段的对比

SiC、GaN的外延生长设备成本就明显要高出GaO材料数倍，且因为外延时间较短，升温、降温的时间要远远大于实际外延生长时间，所以几种材料外延的速度差异并不明显，而且由于各家技术有差异，用途不同的外延也有些许差别，此处不做更深入的比较。目前各种材料的外延技术较为成熟，可以满足市场的需求。

芯片加工阶段，由于GaO、SiC可以使用垂直结构，所以同等规格下，芯片面积较小，为便于比较，暂时忽略这种优势，三种材料在功率芯片加工过程的成本差异不大。

综上可以看出，GaO器件最终成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有独特的竞争优势。

市场空间 

日本氧化镓行业龙头NCT预测氧化镓晶圆的市场到2030年度将扩大到约590亿日元（约合4.7亿美元）规模，而从市场调查公司富士经济对宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约合12.2亿美元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（约合8.6亿美元）还要大。

有更大胆地预测，氧化镓比起以往的电子元件更有效率，在晶圆价格方面也比碳化硅等要更为低廉。2030年氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。

产业化现状