氧化镓有什么用途，氧化镓怎么读

来源：半导体行业观察内容

近年来，氧化镓（Ga2O3）作为“超宽带隙半导体”材料持续受到关注。超宽带隙半导体也属于“第四代半导体”，与碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等第三代半导体相比，氧化镓的带隙宽度达到4.9eV。氮化镓的带隙为3.2eV 和3.39eV，这意味着电子需要更多的能量才能从价带跃迁到导带。因此，氧化镓具有耐高压、耐高温、输出功率高的特点。耐辐射。此外，在相同规格下，宽带隙材料允许制造具有更小芯片尺寸和更高功率密度的器件，从而节省支撑散热和晶圆面积，进一步降低成本。

2023年8月，美国商务部工业与安全局（BIS）认识到将氧化镓的耐高压特性应用于军事领域的重要性，宣布使用氧化镓和金刚石作为第四代半导体材料。实施出口管制。为了美国的国家安全。此后，氧化镓引起了世界范围内科学研究和工业界的广泛关注。

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氧化镓的性能、用途和成本

1.1 第四代半导体材料

第一代半导体是指硅（Si）和锗（Ge）等元素半导体材料。第二代半导体是指迁移率较高的半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。第四代半导体是指碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料。第四代半导体是指氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、金刚石（C）等超宽带隙半导体材料。超窄带隙半导体材料如氮化铝（AlN）、锑化镓（GaSb）和锑化铟（InSb）等。

第四代超宽带隙材料在应用方面与第三代半导体材料重叠，应用优势更加明显，主要是在功率器件领域。第四代超窄带隙材料中的电子很容易发生激发跃迁，因此主要应用于红外探测、激光等领域。第四代半导体全部在我国科技部的“战略电子材料”名单上，很多规格在海外禁运，在国内出口。第四代半导体的主要难点在于材料制备，材料的突破将带来巨大的市场价值。

图：半导体材料按带隙宽度分类

注：金刚石和氮化铝衬底/外延工艺难度大（气相生长，每小时几微米，尺寸只有毫米）且价格昂贵，使其难以进入功率器件领域。

（参见：H. Sheoran，

其他

，ACS 应用。 4, 2589, 2023)

1.2 氧化镓的晶体结构和性质

氧化镓有五种同素异形体：、、、 和。其中，-Ga2O3（相氧化镓）在加热到一定高温时转变为相，在熔点1800时转变为相。目前，相氧化镓是产业化的主流。

氧化镓的材料特性：

即使在超宽带隙、超高温、超低温、强辐射等极端环境下也具有稳定的性能，并且兼容深紫外吸收光谱，因此已应用于日盲紫外探测器。

高击穿场强和高Variga值对应着高耐压和低损耗，使其成为高压、大功率器件中不可替代的明星材料。

注：由于日盲紫外器件主要采用氧化镓薄膜，因此本报告中的氧化镓特指单晶衬底，因此我们主要参考氧化镓在功率器件、高频器件等领域的应用。解释。

1.3 氧化镓：对碳化硅的挑战

氧化镓是宽带隙半导体中唯一可以采用液相熔融法生长的材料，且硬度比碳化硅低，在材料生长和加工成本方面具有优势。

1、氧化镓功率性能好，损耗低

氧化镓的Baliga 品质因数分别比GaN 和SiC 高4 倍和10 倍。

次

，良好的导电性能。氧化镓器件的功耗是SiC 的1/7，是硅基器件的1/49。

2、氧化镓加工成本低

氧化镓的硬度比硅软，因此加工难度较小，但碳化硅的硬度更高，加工成本极其昂贵。

3、氧化镓晶体质量好

氧化镓采用液相熔融法生长，位错数（每平方厘米的缺陷数）小于102 cm-2，而SiC采用气相法生长，位错数约为105 cm-2。

4.氧化镓的生长速度比碳化硅快100倍

使用液相熔融法，氧化镓以每小时10至30毫米的长度生长，每炉2天，而SiC使用气相法，以每小时0.1至0.3毫米的长度生长7天。每炉天数。

5、氧化镓晶圆生产线成本低，产量快。

氧化镓晶圆线与Si、GaN、SiC晶圆线非常相似，转换成本较低，有利于加速氧化镓产业化进程。来自日本经济新闻的原始报道：“Novel Crystal Technology 已在世界上首次成功量产下一代功率半导体材料氧化镓100mm 晶圆。客户公司可以使用兼容的现有设备从“有效利用过去投资的旧设备”的角度来看，100mm晶圆不需要像SiC那样的特殊设备或新的生产线，可转换的产能已经很大。

1.4氧化镓应用领域：功率器件

氧化镓四大机遇：

单极取代双极。

也就是说，在新能源汽车、充电电池、特高压、工业电源、电机控制等电源市场，硅基IGBT和SiC的淘汰是必然的。和Ga2O3是有竞争力的材料。

更加节能高效：

氧化镓功率器件能耗低，符合碳中和和碳峰值策略。

轻松批量生产大尺寸：

易于扩产、易于芯片化、成本低。

高可靠性要求：

稳定的材料、可靠的结构和高质量的衬底/外延。

氧化镓的目标市场：

长期来看，氧化镓功率器件将覆盖650V/1200V/1700V/3300V，预计2025-2030年全面渗透汽车和电气设备领域，未来将应用于超高压领域然而，人们认为它将显示出其优越性。氧化镓专用市场、高压电源用真空管等应用领域。

短期内，氧化镓功率器件将在低成本、成本敏感的中高压市场占据主导地位，包括可以利用高强度材料的消费电子、家用电器和工业电源。可靠性和高性能。

氧化镓可能赢得的市场：

新能源汽车OBC/逆变器/充电桩

DC/DC：12V/5V48V转换

IGBT股票市场

图：氧化镓在功率器件中的市场预测

（参考：日本FLOSFIA）

1.5氧化镓的应用领域：高频器件

GaN 市场需要大型、低成本衬底才能真正发挥GaN 材料的优势。

虽然在同质衬底上生长的外延层具有最高的质量，但GaN衬底价格昂贵，因此在LED、家电和高频领域使用相对便宜的衬底，例如Si、蓝宝石和SiC衬底。然而，这些衬底与GaN晶体结构的差异导致了晶格失配，这相当于在成本上牺牲了外延质量。只有当GaN采用同质外延生长时，才能用于激光等要求苛刻的应用。

GaN与氧化镓的晶格失配仅为2.6%，在氧化镓衬底上异质外延生长的GaN质量较高，采用无铱方法生长6英寸氧化镓成本接近。生长硅的成本。有望在GaN高频器件市场获得重要地位。

图：带有GaN外延层的2英寸Synoptics氧化镓晶体管

（参考：美国空军研究实验室AFRL，2023）

表：GaN外延衬底材料比较

（参考文献：[1] Nihon CE Co. Ltd.[2] S.B. Reese, et al. Joule, 3, 899, 2023，国家可再生能源实验室（NREL））

1.6 氧化镓产业政策

国内扶持政策：

美国禁运，呼吁本地化：

2023年8月12日，美国商务部工业与安全局（BIS）对第四代半导体材料氧化镓（Ga2O3）和金刚石实施出口限制，原因是其军用高压特性较差领域做到了。这对美国的国家安全至关重要。

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氧化镓衬底的晶体生长和外延工艺

2.1 半导体材料晶体生长过程

熔融法是生长半导体材料最理想的方法，具有以下优点：

大尺寸：

小晶种可以生长大晶体。

高产：

每个炉锭可切割数千块板材。

高品质：

位错趋于零，晶体质量非常好。

又长又快：

它每小时可以生长几厘米，比气相方法快得多。

氧化镓是宽带隙半导体中唯一在常压下呈液态的材料，并且可以通过上述熔化方法生长。直拉法通常用于生长氧化镓，是一种使用铱坩埚（贵金属Ir 元素）的熔融法。原因是直拉法需要高温和富氧环境来生长氧化镓。该材料易分解成Ga和O2，影响产品。在如此极端的环境下，只有贵金属铱坩埚才能保持稳定。

表：半导体材料晶体生长工艺比较

图：直拉法生长氧化镓示意图

（参考：Y. Yuan等，基础研究，1, 697, 2023）

2.2 氧化镓晶体生长过程

由于直拉法的原料挥发性较高，氧化镓晶体生长工艺逐渐从直拉法发展到使用铱盖和模具的导模法。目前，这两种方法都需要使用铱坩埚。导模法是生长镓晶体的主流方法。

但铱坩埚价格昂贵，损耗高，因此在几十个熔炉中生长时，就会腐蚀损耗，需要重新熔炼和加工。铱在晶体生长过程中也会形成杂质并进入晶体。该行业正在努力开发无铱方法。

2023年4月，日本经济新闻报道称，日本CA公司能够利用铜坩埚直拉法生长出2英寸的氧化镓单晶，将成本降低至所公布的波导模式法的1/100。

图：两种基于铱的氧化镓及其氧化镓单晶产品的生长方法示意图：（左）直拉法，（右）导模法。

（参考：K. Heinselman 等，Crystal. Growth Des. 22, 4854, 2023；Y. Yuan 等，Fundamental Research, 1, 697, 2023）

图：无铱法生产的氧化镓单晶

（参考：日本CE株式会社，2023）

氧化镓的生长过程首先在坩埚中熔化和拉晶，然后经过切割、研磨和抛光过程，形成氧化镓单晶衬底。之后，通过外延工艺得到同质外延或异质外延结构，最后加工成氧化镓晶圆。

图：无铱法引导模式生长氧化镓工艺流程

（参考：K. Heinselman等人，Cryst. Growth Des. 22, 4854, 2023；Nihon CE Co. Ltd.）

2.3 使用和不使用铱的成本比较

有

铱法

：美国国家可再生能源实验室（NREL）估计，如果不进行额外的晶圆制造工艺优化，采用铱工艺的6 英寸氧化镓的成本将在283 美元左右（约合人民币2000 元）。价格降至195 美元。其中，铱坩埚及其损耗占一半以上。

无铱法

：日本CA公司报道了2英寸无铱法的结果，并声称成本可大幅降低至导模法的1/100。

图：采用铱法生长氧化镓衬底的成本分析

（参考：S.B. Reese 等人，Joule, 3, 899, 2023，国家可再生能源实验室(NREL)）

2.4 氧化镓的同质外延生长

氧化镓的外延速率与衬底的晶面取向有关，其中（100）面最难同质外延，（001）和（010）面更容易外延和器件加工。基本上，选择（001）或（010）氧化镓衬底。 (010)径向面有利于熔体生长，但在目前主流的EFG波导模式方法中，(100)面最容易获得大尺寸。 001）和（010）面，需要制备厚晶体进行斜边切割，厚晶体工艺很难实现，目前只有日本有超过10毫米厚的晶体的报道。我们可以提供电路板的（001）和（010）面。

2014年，日本东京农工大学在（001）面上获得了第一张大面积外延薄膜。同时，2012年至2015年，-Ga2O3大晶圆尺寸增加至0.5。 4英寸氧化镓外延工艺加速了器件研发，真正开创了氧化镓功率器件的应用先河。这就要求氧化镓衬底制造商提供具有多个晶面的产品。

目前氧化镓外延工艺有HVPE（卤化物气相外延）和MOCVD（金属有机化学气相沉积）设备，可以生长厚膜，设备成本低，但相关设备在海外被禁运。该行业需要本地化能力。日本NCT采用HVPE实现了6英寸氧化镓外延工艺。

2.5 氧化镓掺杂及器件应用

与SiC一样，氧化镓也有导电和半绝缘衬底，它们是通过掺杂不同元素获得的，并用于功率器件中的各种应用。

图：不同掺杂的氧化镓单晶（直拉法）

（左）硅掺杂，N 型导电，（中）无意掺杂，N 型高电阻，（右）镁掺杂，绝缘体。

（参考：Z. Galazka 等人，《晶体生长杂志》，404(184)，2014）

图：（左）典型的掺硅导电衬底的氧化镓SBD垂直结构，（右）典型的掺铁绝缘衬底的氧化镓MOSFET平面结构。

（参考文献：J.Zhang等，Journal of Synthetic Crystals，49（11），2023；Y.Lv等，Journal of Inorganic Mater.23（9），2023）

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氧化镓的学术研究与应用开发

3.1 氧化镓衬底的竞争

SiC从2英寸到6英寸用了20年（1992-2012），而氧化镓从2英寸到6英寸只用了4年（2014-2023）。

外国：

日本NCT是全球氧化镓行业的龙头，几乎供应全球100%的氧化镓衬底，2英寸晶圆价格为2.5万元，4英寸晶圆价格为5万至6万元。

国内的：

电科四十六所2023年创下4英寸氧化镓全国纪录。山东大学也报告2023年达到4英寸。目前国内还没有具备大规模生产能力的公司或机构，而且数量有限。铱坩埚需要一定的成本。

图：日本及海外氧化镓基板尺寸变化

（注：CZ是直拉法，EFG是导模法，这两种方法都需要使用铱坩埚。贵金属铱的价格大约是黄金的三倍。NICT：国立信息通信研究所技术）日本田村：日本田村制作所、并木：日本精密宝石有限公司、IKZ：莱布尼茨晶体生长研究所

3.2 氧化镓器件竞争

美国

：美国拥有最优秀的器件研究成果，各种创新结构和工艺极大地推动了氧化镓器件的进步。

日本：

得益于衬底和外延片的国内供应，日本首次形成了国内氧化镓产业链。

中国：

随着我国衬底和外延技术的进步，器件相关成果也达到了国际水平。

图：日本及海外氧化镓SBD器件进展

（参考文献：W. Li 等人，IEEE Electron Device Letters，41(1)，2023；X. Wang 等人，Journal of Synthetic Crystals，50(11)，2023。

NICT：日本国家信息通信技术研究所，康奈尔大学：美国康奈尔大学）

图：日本及海外氧化镓MOSFET器件进展

（参见：S. Sharma 等人，IEEE Electron Device Letters，41(6)，2023；X. Wang 等人，Journal of Synthetic Crystals，50(11)，2023。

NICT：国家信息和通信技术研究所，ARFL：美国空军研究实验室，布法罗：纽约州立大学布法罗分校）

3.3 氧化镓材料的缺点研究

1、解决导热系数低的问题

虽然氧化镓存在热挑战，但其散热是一个可以解决的工程问题，并不成为产业化的障碍。如下图所示，美国弗吉尼亚理工大学用双面银烧结封装解决了散热问题，可以传导肖特基结产生的热量。结的热阻为0.5K/W。较低的是1.43，可承载高达70A的浪涌电流。

图：弗吉尼亚理工大学的器件结构采用双面银烧结封装来解决散热问题。

（参考文献：B. Wanget al. IEEE Electron Device Lett. 42(8), 2023）

2、解决P型掺杂

氧化镓的能带结构的价带不能有效传导空穴，使得制造P型半导体变得困难。近期，斯坦福大学、复旦大学等团队在实验室实现了氧化镓P型器件，并有望逐步走向产业化应用。如下图所示，斯坦福大学于2023年8月公布了他们实验室实现氧化镓P型垂直结构的结果。它采用Mg-SOG镁扩散形成PN结，开通电压为7V，开关速度为109%。

图：斯坦福大学的器件结构在实验室中形成了一个有问题的p-n 结。

（参考文献：K. Zenget al. IEEE Electron Device Lett. 43(9), 2023）

四

氧化镓产业链及市场空间

4.1氧化镓产业链

氧化镓衬底及外延环节位于功率器件产业链上游。与碳化硅产业链类似，价值集中在上游衬底和外延环节。碳化硅器件的成本中，47%来自衬底，23%来自外延，衬底+外延占一项成本。总计70%。

随着氧化镓成本进一步下降，衬底比例将远小于SiC。

图：氧化镓产业链

4.2 氧化镓在功率器件市场的应用

日本氧化镓领域知名公司FLOSFIA认为，氧化镓功率器件市场规模将在2025年开始超过GaN，2030年达到15.42亿美元（约100亿元人民币），我们预测这将达到40%。是SiC和GaN的1.56倍。 （注：FLOSFIA的预测比Yole的预测更为保守。Yole预测2027年碳化硅功率器件市场规模为62.97亿美元，而FLOSFIA预测2030年市场规模为38.45亿美元，预计为100万美元。

新能源汽车市场方面，2023年全球新能源汽车销量为650万辆，新能源汽车渗透率为14.8%，而碳化硅渗透率为9%。有。随着新能源汽车渗透率的提高，市场规模逐渐扩大。目前SiC和GaN还远未对市场产生影响，但氧化镓却有更大的发展空间。

图：全球功率器件市场及氧化镓功率器件市场规模（百万美元）

（参考：日本FLOSFIA）

4.3氧化镓在高频器件市场的应用

氧化镓在高频器件中的市场能力可以与碳化硅外延氮化镓器件的市场进行比较。 SiC半绝缘衬底主要应用于5G基站、卫星通信、雷达等，2023年SiC外延GaN高频器件市场规模约为8.91亿美元，即22.22亿美元（约合人民币） ）预计会增长。 2026 年将达到150 亿）。

图：碳化硅外延氮化镓器件市场规模（百万美元）

（参考：YOLE）

五

氧化镓竞争环境及产业化进展

日本：IDM全产业链领先全球

全球范围内，日本是唯一建立了量产体系并开始工业应用的国家，主要应用领域为工业电源、工业电机控制等，以安川电机和悟电机为主要代表国家。日本预计将于2023年量产氧化镓功率器件。

每日NCT公司

器件样品已在Ga2O3实验线上生产，量产线正在建设中，计划于2023年实现量产。

日本牙线圈

到2023年第二季度，氧化镓器件产能将达到每月数十万台，该公司计划将其出售给汽车零部件制造商和其他客户。

日本电子零件制造商田村制作所株式会社

将于2024年开始生产，规模为每月数万台，到2027年产能将扩大至每月约6000万台。

图：日本FLOSFIA氧化镓功率器件市场策略

美国：氧化镓器件研究最先进。

目前，唯一拥有1英寸衬底产品的公司是美国的Kyma，该公司在单晶尺寸方面落后于中国，产业链相对空白。器件成绩非常好，创新能力强，各种创新结构和工艺极大地推动了氧化镓器件的进步。

中国：PCB领域正在追赶日本

我国氧化镓衬底可小批量供应，外延和器件环节产业化进程几乎空白，主要研发力量和优异成果在高校和科研机构。不过，日本氧化镓器件的研发在知识产权方面位居全球前三，扭转了SiC领域的不利局面。目前氧化镓的产业阶段与特斯拉Model 3 推出之前SiC 的状态类似。技术储备齐全，等待爆发市场的突破。

尽管普遍认为未来十年氧化镓器件将成为与碳化硅直接竞争的电力电子器件，但氧化镓作为新型半导体材料的市场规模突破将取决于成本的快速降低。未来几年将是日本开始大规模引进氧化镓的关键阶段。中国能否赶上这个行业，需要国内氧化镓行业的共同努力。

数据参考：

《-Ga2O3-N型氧化镓单晶片规范》，中华人民共和国电子行业标准SJ 21444-2023，中国电力科学研究院第四十六研究所

《日本新兴企业量产EV半导体，续航增1成》，日本经济新闻，2023/08/25

《日企要量产氧化镓晶圆，成本降至1/3》，日本经济新闻，2023/08/17

《日企在全球首次量产100毫米氧化镓晶圆》，日本经济新闻，2023/06/16

《氧化镓：宽禁带半导体新势力》，中国电子报，2023/04/22

NCT日本株式会社：https://www.novelcrystal.co.jp/eng/

日本FLOSFIA：https://flosfia.com/

日本CA公司：https://www.c-and-a.jp/

美国凯马：https://www.kymatech.com/

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