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國產(chǎn)替代的機會! 強勢崛起的第四代半導體

2023-03-07 03:07:02顏媛媛
電腦報 2023年8期
關鍵詞:氮化碳化硅英寸

顏媛媛

強勢崛起的第四代半導體

隨著2018年特斯拉采用碳化硅(SiC)、2020年小米在快充上使用氮化鎵開始,第三代半導體經(jīng)過三四十年的發(fā)展終于獲得市場認可迎來發(fā)展機遇。此后,第三代半導體在新能源車、消費電子等領域快速發(fā)展開來,并逐漸從熱門場景向更多拓展場景探索。

而在第三代半導體發(fā)展得如火如荼之際,氧化鎵、氮化鋁、金剛石等第四代半導體材料也開始受到關注,金剛石更因擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等特性,被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料,而被稱作“終極半導體”。但其中氮化鋁(AlN)和金剛石仍面臨大量科學問題亟待解決,氧化鎵則成為繼第三代半導體碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)之后最具市場潛力的材料,很有可能在未來10年左右稱霸市場。

氧化鎵晶圓

氧化鎵(Ga2O3是一種新型超寬禁帶半導體材料,是被國際普遍關注并認可已開啟產(chǎn)業(yè)化的第四代半導體材料。與碳化硅、氮化鎵相比,氧化鎵基功率器件具備高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特點。此前被用于光電領域的應用,直到2012年開始,業(yè)內(nèi)對它更大的期待是用于功率器件,全球80%的研究單位都在朝著該方向發(fā)展。

當前,半導體材料可以分為四代,第一、二、三、四代半導體材料各有利弊,在特定的應用場景中存在各自的比較優(yōu)勢,但不可否認的是,中國在第一、二代半導體的發(fā)展中,無論是在宏觀層面的市場份額、企業(yè)占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面,中國與世界領先水平之間都存在著明顯的差距。而在第四代半導體領域,我國氧化鎵的研究則更集中于科研領域,產(chǎn)業(yè)化進程剛剛起步,但是進展飛速,我國科技部于2022年將氧化鎵列入“十四五重點研發(fā)計劃”,讓第四代半導體獲得更廣泛關注。

最具效率的半導體材料

隨著量子信息、人工智能等高新技術的發(fā)展,半導體新體系及其微電子等多功能器件技術也在更新迭代。雖然前三代半導體技術持續(xù)發(fā)展,但也已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出無法滿足新需求的問題,特別是難以同時滿足高性能、低成本的要求。

此背景下,人們開始將目光轉(zhuǎn)向擁有小體積、低功耗等優(yōu)勢的第四代半導體。第四代半導體具有優(yōu)異的物理化學特性、良好的導電性以及發(fā)光性能,在功率半導體器件、紫外探測器、氣體傳感器以及光電子器件領域具有廣闊的應用前景。富士經(jīng)濟預測2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達到1542億日元(約人民幣92.76億元),這個市場規(guī)模比氮化鎵功率元件的規(guī)模(1085億日元,約人民幣65.1億元)還要大。

氧化鎵的結晶形態(tài)截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種。其中,β相最穩(wěn)定。β-Ga2O3的禁帶寬度為4.8~4.9eV,擊穿場強高達8MV/cm。巴利加優(yōu)質(zhì)是低損失性能指標,β-Ga2O3的巴利加優(yōu)質(zhì)高達3400,大約是SiC的10倍、GaN的4倍。因此,在制造相同耐壓的單極功率器件時,元件的導通電阻比SiC、GaN低得多,極大降低器件的導通損耗。

中國科學院院士郝躍曾指出,氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一,在未來的10年左右,氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件,會直接與碳化硅器件競爭。但氧化鎵目前的研發(fā)進度還不夠快,仍需不懈努力。

承載希望的本土第四代半導體企業(yè)

在產(chǎn)業(yè)化落地方面,氧化鎵材料以中電科四十六所、山東大學、深圳進化半導體、中科院上海光機所、北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)等單位為主力。值得注意的是,進化半導體方面表示,正在開發(fā)6英寸的氧化鎵材料,今年應該可以實現(xiàn)2英寸材料的小批量供應。而北京銘鎵半導體有限公司(簡稱“銘鎵半導體”)使用導模法成功制備了高質(zhì)量4英寸(001)主面氧化鎵(β-Ga2O3)單晶,完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術突破,并且進行了多次重復性實驗,成為國內(nèi)首個掌握第四代半導體氧化鎵材料4英寸(001)相單晶襯底生長技術的產(chǎn)業(yè)化公司。

新湖中寶參股公司富加鎵業(yè)專注于寬禁帶半導體氧化鎵材料的研發(fā),已經(jīng)初步建立了氧化鎵單晶材料設計、熱場模擬仿真、單晶生長、晶圓加工等全鏈路研發(fā)能力,推出2英寸及以下規(guī)格的氧化鎵UID(非故意摻雜)、導電型及絕緣型產(chǎn)品。藍曉科技為氧化鋁企業(yè)提供拜耳母液提鎵技術和運營服務,客戶使用公司吸附分離技術所提取鎵產(chǎn)品通常為4N(純度99.99%以上,雜質(zhì)總含量小于100ppm),銷售給下游精鎵企業(yè)。中國西南電子公司西電電力持股陜西半導體先導技術中心,該中心有進行氧化鎵、金剛石半導體、石墨烯、AIN等化合物半導體、化合物集成電路等創(chuàng)新性科研成果的轉(zhuǎn)化。

值得一提的是在第四代半導體冒頭的當下,我國第三代半導體已經(jīng)進入收獲期。以第三代半導體龍頭三安光電為例,旗下湖南三安車規(guī)級和工業(yè)級SiC功率半導體在2022年出貨突破1億顆,新進訂單及長期供應協(xié)議累計金額超65億元,其SiC產(chǎn)品已實現(xiàn)在汽車、工業(yè)、光伏等多個領域應用。而湖南三安的二期擴產(chǎn)工程正在建設當中,預計今年底完成,全面達產(chǎn)后將實現(xiàn)年產(chǎn)50萬片6英寸SiC晶圓。不僅如此,湖南三安與理想汽車合資打造斯科半導體,將進行碳化硅功率模塊的共同開發(fā),預計將年產(chǎn)240萬只SiC半橋功率模塊。

氧化鎵半導體特性

隨著產(chǎn)能的釋放,我國企業(yè)有望在第三代半導體材料領域獲得一定話語權,并為第四代半導體材料的研發(fā)和落地提供經(jīng)驗和基礎。

崛起之路并非坦途

從第三代半導體開始,我國在半導體新材料上的布局和進展就相當迅速,但市場話語權的爭斗始終是殘酷的。

2022年8月,美國商務部工業(yè)和安全局(BIS)發(fā)布公告,稱出于國家安全考慮,將四項“新興和基礎技術”納入新的出口管制。這四項技術分別是:能承受高溫高電壓的第四代半導體材料氧化鎵和金剛石;專門用于3nm及以下芯片設計的ECAD軟件;可用于火箭和高超音速系統(tǒng)的壓力增益燃燒技術。

盡管BIS并沒有直接提到中國,但中國現(xiàn)在屬于被美國列為國家安全管控的國家之一,只要技術和物項被美國政府列入出口管制目錄,大概率就會對中國的出口設置限制,比如美國企業(yè)對華出口需要許可證等,這實際上會造成中美在半導體領域進一步脫鉤。

而除美國方面小動作不斷外,日本同樣也看好第四代半導體材料,并投入巨大資源支持本國相關企業(yè)發(fā)展。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省很早就為致力于開發(fā)新一代低能耗半導體材料氧化鎵的私營企業(yè)和大學提供財政支持,其在2021年留出大約2030萬美元的扶持資金,并預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省認為,日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應基于氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料,每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。

2011年,京都大學投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年,NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”,簡稱“NCT”。現(xiàn)在,兩家公司都是日本氧化鎵研發(fā)的中堅企業(yè),必須強調(diào)的是,這也是世界上僅有的兩家能夠量產(chǎn)GaO材料及器件的企業(yè),整個業(yè)界已經(jīng)呈現(xiàn)出“AllJapan”的景象。

面對外部競爭的壓力,我國企業(yè)想要在第四代半導體行業(yè)獲得足夠的話語權并不容易,第四代半導體材料核心難點本身在材料制備上,材料端的突破將獲得極大的市場價值,這也是我們的突破點。

借用進化半導體公司CEO許照原的話來講,“碳化硅用了40年時間發(fā)展,氧化鎵則僅用了10年,踩著碳化硅腳印前進的氧化鎵很有可能有類似的發(fā)展行徑:先在市場門檻較低的快充和工業(yè)電源領域落地,后在汽車領域爆發(fā)。氧化鎵在十年內(nèi)已取得重大進展,眼看離產(chǎn)業(yè)只差一步之遙,但針對材料制備和相關性質(zhì)研究仍然不夠系統(tǒng)和深入,若想統(tǒng)治未來,掌握現(xiàn)在這十年將是關鍵!”

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