第四代半导体已出现丨氧化镓能否取代碳化硅？
随着数字化、智能化的时代到来，半导体行业的热度不断高涨。尤其是量子信息和人工智能等高科技领域的快速发展，推动了半导体以及多功能器件技术的快速更新和迭代。为适应高性能、低成本的要求，业界将目光投向了第四代半导体，而最受瞩目的莫过于氧化镓。
凭借着一系列优异的材料特性，氧化镓有望改变当前的复合半导体市场，让国内的芯片厂商实现弯道超车。但氧化镓材料仍面临着诸多挑战，本文就其优势、挑战和市场前景作了较为详尽的阐述。
出口管制下的半导体关键原料
中国于2023年8月1日起，对半导体原料的镓、锗实行严格的出口限制。业内对此意见不一，许多人将此举视为对荷兰 ASML公司加大光刻机出口限制的一种反应。然而，2022年8月美国在对中国的出口禁令中，也包括了一种高纯半导体材料——氧化镓。美国商业部的工业安全管理局（BIS）宣布对耐高温耐高压的四代半导体材料——氧化镓和金刚石，还有专为3nm及以下芯片设计而生的 ECAD软件，都纳入了出口管制范围。
当时并没有太多人注意到这一点，但一年之后，中国对镓进行了出口控制，这才引起了业界对第四代半导体关键原料的重视。在半导体行业中，镓和锗是一种重要的原材料，在第一代到第四代半导体中都有应用。在摩尔定律面临瓶颈的今天，具有更大禁带宽度的半导体材料如金刚石、氧化镓、AlN及BN等，其优异的物理性能有可能成为下一代信息技术的驱动力。
对于中国来说，半导体技术的发展已经到了一个非常重要的阶段，尤其是美国的各种制裁，更是让这一技术的突破发展变得极为关键。虽然面临着巨大的挑战，但只要我们能够在这场半导体技术革命中取得胜利，中国就有可能从“制造大国”变成“制造强国”，从而迎来一个世纪以来最大的变革。它既是中国科学技术实力的一次大检验，也是向世人展示中国应对世界科学技术挑战的一次好机会。
超越碳化硅，氧化镓的优势
氧化镓，这种第四代半导体材料，具备禁带宽度大（4.8 eV）、临界击穿场强高（8MV/cm）、导通特性好等优势。氧化镓有五种已确认的结晶形态，其中最稳定的是β-Ga2O3。其禁带宽度为4.8～4.9 eV，击穿场强高达8 MV/cm，而其导通电阻比SiC、GaN低得多，极大降低了器件的导通损耗。其特性参数巴利加优质（BFOM）高达3400，大约是SiC的10倍、GaN的4倍。
相比于碳化硅和氮化镓，氧化镓的生长过程可以使用常压下的液态熔体法，这使得其品质高、产量大且成本低。但 SiC、 GaN等材料因其特殊性质，目前仅能采用气相法制备，且需
保持较高的温度、较高的能耗。这意味着，在生产上，氧化镓会占据一定的成本优势，而国内的工厂也会迅速扩大产能。
与SiC相比， 氧化镓在各方面都优于SiC。特别是其较大的禁带宽度和较高的击穿场强，使得它在大功率和高频率应用中具有显著优势。
氧化镓的具体应用和市场潜力
氧化镓的发展前景日益凸显，该市场当前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia两大巨头垄断。NCT自2012年开始投入氧化镓的研发，成功突破多项关键技术，包括2英寸氧化镓晶体与外延技术，以及氧化镓材料的量产等。其高效性与高性能受到了行业的广泛认可。其在2021年成功量产4英寸氧化镓晶圆，并已开始供应客户晶圆，为日本在第三代化合物半导体竞赛中再度保持领先。 据NCT预测，氧化镓晶圆的市场在未来十年将放量增长，到2030年度将扩大到约30.2亿元人民币规模。FLOSFIA预测，到2025年，氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年将达到15.42亿美元（约100亿元人民币），占碳化硅的40%，是氮化镓的1.56倍。根据富士经济的预测，到2030年，氧化镓功率元件市场规模将达到1,542亿日元（约92.76亿元人民币），将超过氮化镓功率元件的市场规模。这种趋势反映了氧化镓在功率电子设备中的重要性及其未来的潜力。
在一些特定应用领域，氧化镓有着巨大的优势。在功率电子领域，氧化镓功率器件与氮化镓、碳化硅有部分重合，军用领域主要应用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等。民用领域则主要应用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域。
新能源车市场也为氧化镓提供了巨大的应用场景。然而，国内在车规级功率器件方面一直很薄弱，目前尚无车规的SiC MOS IDM。虽然有几家在XFab代工的Fabless企业可以快速具备较为全面的SBD和MOS规格推向市场，销售和融资进展较为顺利，但是未来仍要自建FAB 形成IDM掌握产能、研发独有工艺，才能产生差异化的竞争优势。
充电桩对成本非常敏感，这就为氧化镓提供了机会。如果能满足甚至超过性能需求的同时，以成本优势获得市场的认可，那么氧化镓在这个领域的应用就有很大的可能性。
在射频器件市场，氧化镓的市场容量可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场。新能源汽车的核心是逆变器，对器件的规格要求非常高。目前，有意法半导体、日立、安森美、Rohm等企业能够量产供应车规级SiC MOSFET。预计到2026年，这一数字将增长至22.22亿美元（约150亿元人民币），表明氧化镓在射频器件市场具有广阔的应用前景和市场潜力。
电力电子领域的另一项重要应用是48V电池。随着锂电池的广泛使用，可以用更高的电压系统取代铅蓄电池12V电压系统，实现高效、减重、节能的目的。这些锂电池系统内将广泛采用48V电压，对于电子电力系统来说，需要的是高效率的48V→12V/5V转换。以二轮电动车市场为例，据2020年的资料显示，中国电动两轮车总体产量为4834万辆，同比增长27.2%，锂电渗透率超过16%。面对这样的市场，氧化镓、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐压大电流器件正在瞄准这个应用发力。
在工业领域，它有几大机会和优势，包括单极替换双极，更高的能效，易于大规模生产，以及可靠性的需求。这些特性使得氧化镓在未来的电力应用中可能扮演重要角色。长期来看，氧化镓的功率器件预计将在650V/1200V/1700V/3300V的市场中发挥作用，并预计在2025年至2030年将全面渗透车载和电气设备领域。短期来说，氧化镓的功率器件将首先在消费电子、家电以及高可靠、高性能的工业电源等领域出现。它的这些特性可能使其在硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等材料之间形成竞争。
笔者认为，未来几年氧化镓的竞争焦点将集中在400V平台的常规使用650V器件领域。这个领域的竞争将涉及到开关频率、能量损耗、芯片成本、系统成本、和可靠性等多个因素。然而，随着技术的进步，平台可能升级为800V，这将需要使用1200V或1700V器件，这已经是SiC和Ga2O3的优势领域。在这个竞争中，初创企业有机会通过与客户深入沟通，建立场景认知、车规体系和客户心智，为向车企客户逆变器应用奠定坚实基础。
总的来说，氧化镓在功率器件领域有很大的潜力，能够在多个领域与SiC、GaN等材料进行竞争，满足高效、低能耗、高频和高温等高性能应用的需求。但是，新材料在逆变器和充电器等应用上的渗透需要时间，需要不断进行面向特定应用的适合规格的开发，并逐步向市场推广。
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