氧化镓：10000字详解第四代半导体材料的产业化与挑战（附企业名单）
摘要氧化镓作为第四代半导体材料，具有独特的材料特性和优势，但其产业化仍面临着成本、器件产业链和示范性应用等问题。NCT公司作为氧化镓市场的领先者，需要克服各种困难，以保持其在全球氧化镓市场的领先地位。氧化镓在功率器件和光电应用领域有广阔的应用前景，但其不可替代性仍需进一步证明。详情第四代半导体材料氧化镓具有耐压、电流、功率、损耗等优势，已被国际认可并开启产业化。日本在氧化镓研究上最前沿，我国科技部将其列入十四五重点研发计划。氧化镓想要获得产业发展，需要材料成本降低、衬底、外延、器件产业链发展完善、出现示范性应用等要素。日本东北大学联合C&A公司报道了无铱工艺，从关键材料端角度让低成本氧化镓成为可能。
1.第三代半导体经过三四十年的发展，已经形成了完整的产业链，向着成本不断降低的方向发展。而氧化镓则仍处于一个研究继续深入，产业化初步开始的阶段。2.氧化镓在耐压、电流、功率、损耗等维度都有其优势，此前被用于光电领域的应用，直到2012年开始，业内对它更大的期待变成用于功率器件，全球80%的研究单位都在朝着该方向发展。氧化镓是被国际普遍关注并认可已开启产业化的第四代半导体材料。3.日本在氧化镓研究上是最前沿的。2012年日本报道了第一颗氧化镓功率器件，2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片，此后，基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现。我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，产业化进程刚刚起步，但是进展飞速，今年我国科技部将氧化镓列入十四五重点研发计划，让第四代半导体获得更广泛关注。4.一个材料产业的发展，需要材料、器件、模组、应用等多个环节形成完整循环。目前，第三代半导体材料已发展出完整的产业链，且向着成本不断降低的方向发展；而氧化镓则仍处于一个研究继续深入，产业化初步开始的阶段。氧化镓想要获得产业发展，需要具备至少3个要素：材料成本降低，足以用于产业；衬底、外延、器件产业链发展完善；出现示范性应用。5.此前，氧化镓衬底主要采用导模法（EFG法）进行生产，由于EFG法需要在1,800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长，对生长环境要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。铱价格昂贵，价格是黄金的三倍，6英寸设备需要几公斤的铱，相当于一大块黄金，仅坩埚造价就超过600万，从大规模生产角度很难扩展设备数量。铱只能依赖进口，给供应链带来很大风险。6.值得关注的是，日本东北大学联合C&A公司报道了无铱工艺，从关键材料端角度让低成本氧化镓成为可能，也推动整个产业链的发展进程。7.氧化镓想要获得产业发展，需要具备多个要素，目前产业化进程仍处于初步阶段。但是，从氧化镓的优势、国际认可、日本的研究进展、我国科技部的重视、无铱工艺的出现等方面来看，氧化镓的前景广阔。8.第三代半导体经过三四十年的发展终于获得市场认可迎来发展机遇。此后，第三代半导体在新能源车、消费电子等领域快速发展开来，并逐渐从热门场景向更多拓展场景探索。氧化镓的发展将推动新能源车、消费电子等领域的快速发展，也将为我国半导体产业的发展注入新的活力。
氧化镓是第四代半导体材料之一，具有超宽禁带，可用于高功率、高频率电子器件。日本率先在氧化镓领域取得产业化成果，推动了全球氧化镓研究的发展。我国也在氧化镓研究方面取得了进展，但产业化进程相对缓慢。第四代半导体材料还包括金刚石和氮化铝，但目前只有氧化镓已经实现大尺寸突破，预计未来3-5年可以实现大规模应用。
1.超禁带半导体是指禁带宽度超过3eV的半导体材料，分为超窄禁带和超宽禁带两种。超窄禁带材料禁带宽度在零点几电子伏特，比超窄禁带更窄的材料则称为导体。超宽禁带材料包括禁带宽度在4.9eV的氧化镓、金刚石、氮化铝等，当禁带宽度超过6.2eV，基本上就是绝缘体。超禁带半导体将会是最后一代半导体。2.日本的氧化镓研究最早出现于2012年，信息通信研究机构报道了全球第一个氧化镓功率器件，是一颗场效应晶体管（MESFET），此后不久又报道了肖特基势垒二极管（SBD）。2015年以后，日本NCT公司陆续推出高品质的氧化镓衬底和同质外延片，为科研院所提供了基础研究材料。日本率先在氧化镓领域取得产业化成果，推动了全球氧化镓研究的发展。3.中国在氧化镓研究方面也开始得非常早，2000年左右就有单位开展相关研究了。近年来，科研院所在努力深入地探究氧化镓材料的各种特性，需要更丰富的材料来开展研究，而产业界规模化应用则需要大尺寸材料产品来提高效率并降低成本。我国的研究进展集中在科研机构，产业化进程比日本要缓慢，但是比美国要快得多。4.到2019年，在中国半导体事业奠基人黄昆先生诞辰一百周年纪念日上，几十位院士、数百位专家共同定义了超禁带半导体，也称为第四代半导体，并以大规模实现产业应用为判定标准。第四代半导体材料包括氧化镓、金刚石、氮化铝等，其中只有氧化镓已经实现大尺寸突破，预计未来3-5年可以实现大规模应用。5.氧化镓是第四代半导体材料之一，具有超宽禁带，可用于高功率、高频率电子器件。氧化镓的禁带宽度在4.9eV，比氮化镓和碳化硅都要宽，具有更好的电学性能。氧化镓器件的优点包括高电子迁移率、高击穿电场强度、高温稳定性等。氧化镓器件的应用领域包括电力电子、光电子、无线通信等。6.目前，氧化镓的产业化进程相对缓慢，主要集中在科研机构。日本率先在氧化镓领域取得产业化成果，推动了全球氧化镓研究的发展。我国也在氧化镓研究方面取得了进展，但产业化进程相对缓慢。氧化镓材料的国产化、低成本化呼声越来越高。7.第三代半导体是指宽禁带半导体，包括碳化硅（SIC）和氮化镓（GaN）这两种禁带宽度超过3eV的材料，刚刚开始大规模应用。第三代半导体材料具有高电子迁移率、高击穿电场强度、高温稳定性等优点，可用于高功率、高频率电子器件。8.第四代半导体中的超宽禁带指的是氧化镓、金刚石、氮化铝等材料，其中只有氧化镓已经实现大尺寸突破（6英寸），预计未来3-5年可以实现大规模应用，由日本引领风潮。第四代半导体材料具有更好的电学性能和更广泛的应用前景，将成为未来半导体产业的重要发展方向。
氧化镓是一种成本低、节能、生长速度快、禁带宽度宽的宽禁带半导体材料，具备用于功率器件和光电器件的潜力。其可用于探测日盲紫外光、军用光线探测器、电站、加油站等场景的故障探测，以及功率器件领域。然而，氧化镓的热导率较低，需要通过封装来解决散热问题。
1.第三代半导体材料性能较好，耐高压，可用于高功率场景，且功率损耗低，具备节能优势。氧化镓成本低、节能的优点更为突出。2.碳化硅功率损耗是硅基的七分之一，氧化镓功率损耗是碳化硅的七分之一，即硅基器件的1/49，可以说是超大幅度节能。碳化硅常被用作功率器件，在新能源汽车上发挥节电效果。目前市场常用的有铜、金银等贵金属，而更好一些的材料，如石墨烯、氮化铝、金刚石等，散热效果更好，具备优化散热系统潜力。3.氧化镓成本很低，是唯一一个可以用熔体法生长的宽禁带半导体材料，其6寸衬底成本三五年内就可以降到1,000-1,500人民币，大规模生产后可以降到300元，而同样尺寸的碳化硅衬底成本大概在4,000-5,000元，售价超过7,000元。4.氧化镓生成晶圆衬底的速度很快，一个小时生长2厘米，是其他材料长速的近100倍。而在通过类似雪先融化成水、再结成冰的熔体法生成的晶体质量非常好，而气体分子沉积成晶体的过程是很慢的，品质也很难提高。5.氧化镓响应波长250-300nm，可以用于探测日盲紫外光，目前这个方向受到科研人员的广泛肯定。日盲紫外波段的光线无法透过大气层，可以用该材料当作军用光线探测器。在电站、加油站等场景，故障早期出现电晕放电情况时也会发出这种紫外的光，可以用氧化镓防患于未然。6.市场对于功率更高、损耗更低、成本更低、性能更好的器件的追求是永无止尽的。禁带宽度更宽的材料，天然具有更耐高温、耐辐射、耐高压、导通电阻低的特点。氧化镓的禁带宽度为4.9eV，在耐压能力上表现优异，但在散热率上较低，需要通过封装来解决散热问题。7.在耐压能力上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅的击穿场分别为8、3.3、2.5、0.3MV/cm；在评估材料特性的巴利加优值BFOM上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅分别为3440、536、344、1，数值越大，导通特性就越好。在散热率上，氧化镓的热导率仅0.27w/cm·k，要低于氮化镓、碳化硅、硅。8. 目前市场常用的有铜、金银等贵金属，而更好一些的材料，如石墨烯、氮化铝、金刚石等，散热效果更好，具备优化散热系统潜力。9．氧化镓具备用于功率器件和光电器件的潜力，但在散热率上存在局限性。目前80%的研究单位都在朝着功率器件的方向发展。未来，氧化镓可能需要进一步证明其在故障探测和光电应用方面的不可取代性。
全球氧化镓材料研究进展缓慢，仅日本实现了量产。日本已研究氧化镓衬底、外延、器件，并实现了6英寸衬底和6英寸同质外延。日本有两家氧化镓公司，其中NCT在全球市场占有率接近100%。化合物半导体研发难度大，需要大量经验和积累。新材料没有现成设备，需要重新研发装备和建设研发环境。全球科技巨头不建材料厂，因为材料端的内容非常核心。氧化镓的产业化相对简单，可以用GaN的现成芯片产线制造氧化镓器件。
1.氧化镓材料研究难度大，因为这个材料特别难，熔点高，需要有氧环境，整个技术体系都要更换，设备要改，热场要改，保温材料、加热材料、坩埚材料全都要换，重新摸索。研发这个材料需要很强的设备能力和长晶基础，熟悉各种长晶工艺，再用极大的耐心去实验。全球仅日本实现了量产。2.日本将氧化镓的衬底、外延、器件全都研究了一遍，并且已经实现了6英寸衬底和6英寸同质外延。日本已经追上了碳化硅四十年的进度，这就是熔体法带来的好处。他们很早就验证出这个材料在功率领域很好用，此后更多的人觉得这个材料挺好的，开始大规模采购日本的材料，一起在器件端探索，开发出新的更好规格的器件。日本有两家氧化镓公司，其中NCT在全球市场占有率接近100%。3.日本有两家氧化镓公司，都是从材料做到器件的IDM企业。一家公司融资了11轮，但未向市场售卖材料和器件。另一家日本公司NCT在全球市场占有率接近100%，供给了市面上几乎所有的氧化镓材料。他们用的是导模法，也就是用铱的，未来几年很快就要被淘汰掉，所以他们肯定也在谋求新技术路线。他们的外延是做得最好的，领先我国很多。4.在一些特定领域里，我们看到的报道是说日本已经与客户完成了初步验证，效果很好，计划从小规模实验准备转入量产阶段，预计在2023年量产。现在大家都只知道他们用在工业，但是不知道到底在哪个场景用的，也没办法去推算特定的规格来进行同步定制的开发。只有等到它真正批量应用之后，我们才能看到它还有这样的市场，再去追随跟进了。5.化合物半导体涉及到物理、化学、材料学，器件端仿真等各个领域，且只能通过实验研究，需要大量经验和积累。而新材料没有现成设备，需要重新研发装备和建设研发环境。这里面还涉及各种材料的选择、搭配，需要对不同材料在各种温度下的变化了如指掌，才可以更好地生长。6.全球科技巨头在国内建了很多的芯片厂，但从不建材料厂，因为材料端的内容非常核心，且很难通过专利保护，它类似某种炒菜手法，国外厂商不会把配方、火候等要素放到别国。目前，全世界在材料端做得最好的公司在日本。7. 有些材料研发起步相对容易，但氧化镓在自然界中并不存在，只能像炼金术一样摸索。8.氧化镓的产业化相对简单，因为作为宽禁带材料，氧化镓的芯片制造过程抗干扰能力很强，可以用GaN的现成芯片产线就可以制造氧化镓器件。实际上，国际上几乎所有的研发单位都是有GaN基础，从GaN转过来的，不用新建实验环境，直接就在之前的设备上就能做氧化镓开发。最近英国一个高校买了一台氧化镓外延设备，并预计未来几个月就可以推出第一批氧化镓器件，就是因为有现成的设备可以用。9.现在大家都只知道氧化镓用在工业，但是不知道到底在哪个场景用的，也没办法去推算特定的规格来进行同步定制的开发。只有等到它真正批量应用之后，我们才能看到它还有这样的市场，再去追随跟进了。
氧化镓作为一种新型半导体材料，涉及衬底、外延和器件三个环节。在化合物半导体行业中，企业一般只研发其中一个环节，但随着行业的成熟和整合，优势企业会并购各个环节，以保护技术机密和供应链。目前，第三代半导体仍处于野蛮生长状态，但随着示范性应用的出现，第四代半导体的时代将会到来。氧化镓最早可能会在快充和工业电源领域落地，而汽车则会是其未来的爆发点。氧化镓和GaN存在合作的可能，可以在氮化镓上长高品质的氧化镓外延层，但会和碳化硅有一定的竞争。
1.氧化镓有衬底、外延、器件三个产品种类，企业一般是只研发其中一种，还是都研发？理论上只研发某一个环节就够了，但随着行业的成熟和整合，优势企业会并购各个环节，以保护技术机密和供应链。2.化合物半导体行业规律是，合-分-合。刚开始新材料出现，没人验证好坏，只能自己从衬底到外延到器件都干了，验证材料是好材料，然后出现每个环节的优势团队，行业越成熟，环节就会越细分、专业。但最后又会逐渐整合，因为化合物半导体中都是knowhow（技术机密）为主，所以为了保护技术机密，保证产业链供应，优势企业就开始并购，把各个环节补全。3.现在第三代半导体仍处于野蛮生长状态，有的人我能干的全干了比如Cree（现在叫Wolfspeed），有的人只干一个环节也能生存得很好，不需要全产业链都干。4.到目前为止，大多数行业人士的关注点还在第三代半导体上，但随着示范性应用的出现，第四代半导体的时代将会到来。对一个产业链来说，必须具备全部环节，才能有好的协同。如果有一天氧化镓做出来很好的规格，你可能发现在比如说有没有哪个领域，用氧化镓便宜、性能好、没有安全隐患，那第四代半导体的时代就到来了。5.我们预计明年会出现一个真正杀手级的应用，最早可能出现在日本。我们认为最早可能会出现在快充和工业电源上。它的市场门槛比较低，不像汽车，可能需要拿很多资质。这些领域属于你的性能ok、成本够低，就能用，且他们对可靠性有需求，而氧化镓的可靠性天然非常好。6.氧化镓和GaN的晶格失配很小，可以在氮化镓上长高品质的氧化镓外延层，有很多团队都在做这方面工作，也报道了非常漂亮的成果，只要氧化镓成本降下来，有成为继Si和蓝宝石以后的第三种平台型衬底材料的潜力，相当于可以借着氮化镓发展，这是一个可以合作的点，但会和碳化硅有一定的竞争，都在力争挑战硅基器件的传统地位。7.示范性应用起来后，大家觉得市场端没问题，就会开始批量生产。而批量生产的一个基础在于，供应链上游要供得上。器件制造的供应链是外延，外延的供应链是衬底，我们尽量从材料出发，团结更多的产业链公司和单位，共同促进氧化镓产业化。8.氧化镓和第三代半导体存在合作的可能，可以在氮化镓上长高品质的氧化镓外延层，但会和碳化硅有一定的竞争，都在力争挑战硅基器件的传统地位。
第四代半导体氧化镓产业实现了低成本制造氧化镓材料的突破，其中EFG法是制造大尺寸氧化镓衬底的唯一工艺。无铱工艺的出现意味着低成本氧化镓进入市场已经具备可能。
1.氧化镓的材料制备刚刚实现突破，找到了低成本制造氧化镓材料的可能。如果我们把做器件、做应用比作炒饭，那前提是你得有米，之前这个米想把它种出来都非常困难，也就没办法大规模应用。2.目前，市面上主流的能制备单晶材料的方法有导模法（EFG法）、提拉法、焰熔法、浮区法等，其中，EFG法是当前唯一能制造大尺寸氧化镓衬底的工艺，已经有单位能根据该方法制造出6英寸的样品。几乎供应了全球100%的氧化镓衬底的日本NCT公司，采用的便是EFG法。3. EFG法需要在接近1,800℃的高温、含氧环境下进行晶体生长，对盛放熔体的坩埚要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料，目前性能和成本比较合适的只有贵金属铱，但铱非常昂贵。4.业内一直期待无铱工艺的出现。2022年04月，日本东北大学联合C&A公司报道了无铱工艺的2英寸衬底，能把价格做到跟硅和蓝宝石接近的价格。这种技术意味着，低成本氧化镓进入市场已经具备可能。5.在整个化合物半导体产业链里，最稀缺的是材料——价值最高，壁垒最高。材料是基础科学，它不是一种能模仿来的技术环节，必须对它的机理有足够的了解，有足够的实验形成knowhow，然后去做出来。7.目前由于整个产业链尚未成熟，也并未出现一个示范性的应用，大部分公司还处于将信将疑或观望态度，不会主动试产器件，所以需要让大家看到这确实是好东西。
品质提升需解决材料提纯和生产条件控制问题。氧化镓材料评价标准包括XRD测晶体质量、单晶完整性和缺陷密度。氧化镓器件公司面临产线稀缺和设备成本高的挑战，但现有硅产线可改造。国内氧化镓研究团队多，但创业企业少，需要国家支持。主要研究单位为中电科四十六所、山东大学、深圳进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等。
1.品质提升有两个问题要解决。一方面是材料端要提纯，再一个就是生产条件的处理和控制，包括腔室的处理，在生产过程中载气的控制等。2.高温环境下，温度梯度很难控制。且腔体中通常有多种材料，不同材料在高温下也会释放一些物质。如为保持温度，腔体中还需要一些保温材料，这些材料在高温下也会发生变化，难以控制在一个较好状态，因此材料熔化容易，制造单晶晶体就难；在腔体中形成底下热、上面稍冷、中间不冷不热的临界状态是真的很难。3.氧化镓材料有几个特定的评估标准：一是通过X光检测XRD测晶体质量，数据越小品质越高；其次看是不是完整单晶；三是缺陷密度，有条件可以测下腐蚀坑。4.器件端现在其实最稀缺的资源是产线，现在国内还没有任何一条供器件公司使用的氧化镓器件工艺线，器件端的生产设备，很成熟的一些设备全套下来可能要五千万甚至要上亿。6.氧化镓器件可以利用现有的功率半导体产线，比如说硅基IGBT、做LED的氮化镓、做碳化硅的产线都可以改，氧化镓是特别稳定的一种材料，它很少会受到其他材料的干扰。它只在生长中容易受到干扰，在应用中反而还好一些。产线改造难度不大只要工厂愿意改。7.国内半导体很多领域技术储备都是有的，但是产业化做得不够好，化合物半导体产品几乎全部是卡脖子领域，且产业化很难，需要具备资深背景的业内专家、大企业技术带头人才能更好实现产业化。目前看到的情况是，进行氧化镓研究的高校和科研院所还挺多的，不过做衬底的研究团队相对要少，创业企业就是非常少，因为做材料是投入大、周期长、门槛高的环节，几乎没有技术积累的企业，是很难做出成果的，一般是需要国家在前期进行课题经费支持。8.主要研究单位为中电科四十六所、山东大学、深圳进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等。
附国内部分涉及氧化镓企业
1、三安光电：子公司湖南三安致力于第三代化合物半导体碳化硅及氧化镓材料、外延、芯片及封装的开发2、蓝晓科技：国内金属镓提取领域处于绝对龙头地位，坊间号称“提镓第一股”3、中国西电：子公司西电电力系持股陕西半导体先导技术中心，该中心是宽禁带半导体领域国家工程研究中心，和宽禁带半导体高端装备与新材料西安市工程研究中心合作氮化镓、金刚石和氧化镓的高端制备装备和半导体材料的研究开发4、中瓷电子：控股股东中国电科经过多年氧化镓晶体生长技术探索，采用导模法成功制备出高质量的4英寸氧化镓单晶。此前，中国电科十三所已将氮化镓通信基站射频芯片业务注入上市公司5、上海瀚讯：公司股东中国科学院上海微系统与信息技术研究所超宽禁带半导体氧化镓异质集成技术研究6、南大光电：南京大学有氧化镓双极型异质结功率器件研究7、隆基绿能：与连城数控合作碳化硅及氧化镓等晶体的生长8、新湖中宝：持股杭州富加镓，专业从事氧化镓单晶材料设计、模拟仿真生长及性能表征等工作9、进化半导体：采用无铱工艺进行大尺寸第四代半导体氧化镓材料的衬底技术开发，将可以大幅度降低β相晶体单晶炉制造成本近2个数量级10、杭州富加镓：采用导模法生产氧化镓单晶，技术来源于中科院上海光机所11、铭镓半导体：完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破12、北京镓族科技：国内首家、国际第二家专业从事氧化镓半导体材料开发及应用产业化的高科技公司，是北京邮电大学的科研团队科研成果转化形成公司
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