中国领跑第四代半导体材料，氧化镓专利居全球首位

半导体材料的突破一直是推动半导体行业发展的一大助力，为了满足日益多元化的芯片需求，半导体材料从以硅、锗为代表的第一代半导体，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体逐步发展到以氮化镓、碳化硅为代表的第三代以及以氧化镓、氮化铝为代表的第四代半导体。目前以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体器件正发展得如火如荼，在商业化道路上高歌猛进。与此同时，第四代半导体材料的研究也频频取得突破性进展。氧化镓，极具代表性的第四代半导体材料，本质是一种无机化合物，又名三氧化二镓。因其突出的特性在未来，极有可能成为高功率、大电压应用领域的主导材料。氧化镓电子器件的优势在哪里？在后摩尔时代，宽禁带半导体材料性能上的优势对电子器件的效率、密度、尺寸等各方面都有着决定性影响。从市面上目前已经商用的氮化镓、碳化硅第三代半导体器件可以很明显地看到相关器件在耐压值、损耗、功率、频率方面的优势，氧化镓材料则是比第三代半导体材料更有优势。从材料本身的特性来说，氮化镓的禁带宽度大概在3.5eV，碳化硅的禁带宽度在3.2eV。氧化镓的禁带宽度在4.8eV。半导体器件的反向耐压，正向压降都和材料的禁带宽度高度相关，氧化镓的优势也就不言而喻。以目前氧化镓非常典型的光电器件应用来说，禁带宽度的提高意味着用这种材料制备出的光电器件所发出的光或能够探测的光波长就越短。目前用第四代半导体材料制成的光电器件的发光范围和光探测范围已经从红外延伸到紫外。另一个典型应用，是我们熟悉的功率器件应用。功率器件看重材料的击穿电强和巴利伽因子（也叫节能指数），硅的击穿电强只有0.3MV/cm，巴利伽因子为1；即便是现在商业化推进火热的氮化镓，击穿电强已经不低，为3.3MV/cm，但巴利伽因子也只有810。而氧化镓的击穿电强有8MV/cm，巴利伽因子高达3444。这意味着氧化镓功率半导体阻断状态可以承受更高的电压，导通状态具备更高的电流密度和低导通压降，同时满足更短开关时间和更低损耗开关要求。对比碳化硅功率器件，氧化镓功率器件可以将导通电阻降低7成，损耗降低86%。氧化镓这类第四代半导体材料在电子器件应用上优势明显，前景广阔。氧化镓各地区布局情况，中国有效专利居首位从目前的市场来说，基本由两家日本厂商Novel Crystal Technology（NCT）和FLOSFIA垄断，其中NCT又占据了绝大部分市场，据NCT预测，氧化镓晶圆的市场在未来十年将放量增长，到2030年度市场规模将扩大到约30.2亿元人民币。另外根据富士经济预测，到2030年，氧化镓功率元件市场规模有望突破78.8亿元人民币。FLOSFIA给出的相关预测规模更高，FLOSFIA预计氧化镓功率器件市场规模在2030年有望突破人民币100亿元人民币。氧化镓全产业链目前最成熟的确是日本，从2011年起步到现在，只有日本形成了量产，并围绕电机、工控等应用开始产业化应用。NCT的2-4英寸氧化镓衬底已经实现量产，现在正在加紧建设量产线，主要服务于安川电机和罗姆。FLOSFIA在2017年实现了低成本氧化镓材料的突破，据称将会在今年量产氧化镓器件并供给丰田新能源车。氧化镓SBD，FLOSFIA美国对于氧化镓的研究从2018年开始，目前仅Kyma公司有1寸衬底产品，单晶尺寸上落后于中国，产业链也较为空白。不过美国实验室在氧化镓器件成果研究上成果非常突出，创新能力强大，各种创新的结构和工艺极大地推动了氧化镓器件的进步。目光放回国内市场，我国对半导体材料的关注也在提高，十四五规划里就将第三代半导体材料作为发展的重点，并且在科技规划里，将超宽禁带半导体材料列入了战略研究布局。目前研发主力军集中在各个高校实验室和科研院所中，如中电科46所、上海光机所、北京邮电大学、西安电子科技大学等等。随着氧化镓关注度的提升，国内目前也有不少专注于氧化镓材料的企业比如镓族科技、富加镓业科技、铭镓半导体、进化半导体等，部分已经实现2-4英寸衬底的制备。在产学研模式的助力下，科研成果也在加速商业化，如镓族科技已经与合作单位一起实现1000V耐压的肖特基二极管模型制作，并已经实现5000V耐压的MOSFET模型制作；铭镓半导体已有产品级单晶衬底和科研级单晶衬底公布，预计2023年底将建成国内首条集晶体生长、晶体加工、薄膜外延于一体的氧化镓完整产业线。氧化镓单晶，铭镓半导体而不久前，在韩国举办的氧化镓功率半导体技术路线图研讨会，会议公布了各国在氧化镓技术上的专利情况。根据AnA Patent对各个地区对氧化镓功率半导体元件有效专利分析，截至2022年11月，中、日两国专利数占据总专利数50%以上（中国568件，日本400件），中国氧化镓有效专利持有量全球第一。可见我国对新型半导体材料研发的重视。氧化镓技术现状与前景从不同地区的发展来看，因为相对其他半导体材料，氧化镓产业化时间短，各地区技术差距虽然存在，但是并没有想象中那么大，在材料端的突破仍然是各地区在技术上争抢的高地。商业化目前最快的日本，未来几年会进入开始大规模导入氧化镓器件的阶段，国内的脚步会稍慢。从氧化镓本身的产业化来说也相对容易，因为高纯度的氧化镓储量丰富，同质外延晶体价格只有碳化硅的五分之一，异质外延晶体价格和硅基基本持平，产业化进程或许会比碳化硅更快。目前氧化镓发展尚处于早期阶段，虽然前面列举了它很多技术优势，但是材料自身还存在导热性较差和结构上的挑战。除了技术难点，国内还需要完善上下游市场相关配套设施，借由典型标杆性应用场景加快产业化进度。小结总的来说，氧化镓凭借禁带、击穿电强等关键性能的优势，在光电器件、高频功率器件等领域得到了越来越多的关注和研究兴趣。不断取得突破的氧化镓未来将帮助半导体器件在功能和性能上进一步做拓展和完善。

专利发烧中国领跑

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