（2）Novel Crystal Technology（以下簡稱NCT）
 

NCT成立于2015年，公司所采用的方案是基于HVPE生長的GaO平面外延芯片，他們的目標是加快超低損耗、低成本β相GaO功率器件的產品開發。

資料顯示，NCT已經成功開發，制造和銷售了直徑最大為4英寸的氧化鎵晶片。而在2017年11月，NCT與田村制作所（Tamura Corporation）合作成功開發了世界上第一個由氧化鎵外延膜制成的溝槽型MOS功率晶體管，其功耗僅為傳統硅MOSFET的1/1000。

圖：氧化鎵溝槽MOS型功率晶體管的示意圖(NCT官網)

按照他們的規劃，從2019財年下半年開始，NCT將開始提供擊穿電壓為650V的β相GaO溝槽型SBD的10-30A樣品。他們還打算從2021年開始推進大規模生產的準備工作。公司還致力于快速開發100A級別的β相GaO功率器件。
 

此外，日本早稻田大學采用FZ法生長出β-Ga2O3單晶。在單晶生長過程中通入適量O2抑制β-Ga2O3分解，晶體生長速度為1～5mm/h，直徑最大為2.54cm，長度約為50mm。
 

2、美國
 

（1）空軍研究室（AFRL）

美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領導的團隊探索了GaO材料的特性，結果顯示，GaO材料的速度和高臨界場強在快速功率開關和射頻功率應用中具有顛覆性的潛力。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的GaO研究基礎，獲得了首批樣品。

圖：AFRL制作的2英寸帶有GaN外延層的Synoptics 氧化鎵晶體管（Compound Semiconductor）

此后，Kelson Chabak接任團隊負責人，他們從唯一的商業供應商Tamura采購了襯底，并聯系了Tamura投資的NCT購買外延片，同時也從德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）采購外延片。
 

Chabak表示：“我們之所以能夠成為該領域的領導者，是因為我們能夠盡早獲得材料”。
 

AFRL在2016年報告了一個有IKZ外延片制作的MOSFET，該器件在0.6um的G-S漂移區內承載電壓高達230V，意味著平均臨界場強達到了3.8MV/cm，大約是4倍于GaN的臨界場強，成為了“燎原之火”。
 

更重要的是，Chabak指出GaO的低熱導率并不會阻礙其成為主流射頻功率器件的因素，并用一些模型證明了倒裝芯片技術和背面減薄技術相結合，可以讓器件熱阻達到接近SiC的水平。
 

AFRL目前致力于在短期內突破電子束光刻技術引入到制程工藝中，并將晶體管的尺寸降到um以下，這樣將可使器件具備非常高的速度和擊穿電壓，成為快速開關應用的有力競爭產品。
 

AFRL正在試圖突破GaO外延技術，并且資助了諾格公司的子公司Synoptics開發GaO的襯底生長技術，當各個環節具備之后，美國將是第二個徹底實現全產業鏈國產化的國家。
 

（2）美國紐約州立大學布法羅分校（UB）
 

據外媒報道，2020年4月，美國紐約州立大學布法羅分校（the University at Buffalo）正在研發一款基于氧化鎵的晶體管，能夠承受8000V以上的電壓，而且只有一張紙那么薄。該團隊在2018年制造了一個由5微米厚（一張紙厚約100微米）的氧化鎵制成的MOSFET，擊穿電壓為1,850 V。該產品將用于制造更小、更高效的電子系統，應用在電動汽車、機車和飛機上。
 

3、德國

關于德國開展氧化鎵研究的報道較少，目前僅看到德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）2009年開始研發和生長GaO晶體，使用提拉法，采用銥金坩堝，包括活動的銥金后加熱器，生長出的晶體直徑為2英寸，長度為40～65mm，晶體的結晶特性較好。此外，其也為美國AFRL供應了GaO外延片。
 

4、中國

我國其實開展氧化鎵研究已經十余年，但是直到近年來46所的技術突破才實現了距離產業化“一步之遙”，從公開資料能了解到目前從事GaO材料和器件研究的單位和企業，主要是中電科46所、西安電子科技大學、上海光機所、上海微系統所、復旦大學、南京大學等高校及科研院所，科技成果轉化的公司有北京鎵族科技、杭州富加鎵業。國內團隊未見關于GaO MOS的報道。
 

（1）中電科46所

據觀察者網在2019年2月的報道，中國電科46所經過多年氧化鎵晶體生長技術探索，通過改進熱場結構、優化生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生長過程中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功在2016年制備出國內第一片高質量的2英寸氧化鎵單晶，在2018年底制備出國內第一片高質量的4英寸氧化鎵單晶。報道指出，中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm，總長度達到250mm，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。這也是目前為止國內唯一能夠達到該尺寸的記錄保持者。
 

（2）西電大學/微系統所
 

據中國科學院上海微系統與信息技術研究所報道，在2019年12月，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學郝躍課題組教授韓根全攜手，在氧化鎵功率器件領域取得了新進展。歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬能離子刀”智能剝離與轉移技術，首次將晶圓級β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，并制備出高性能器件。報道指出，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領域具有里程碑式的重要意義。首先，異質集成為GaO晶圓散熱問題提供了最優解決方案，勢必推動高性能GaO器件研究的發展；其次，該研究將為我國GaO基礎研究和工程化提供優質的高導熱襯底材料，推動GaO在高功率器件領域的規?；瘧?。
 

（3）復旦大學
 

在2020年6月，復旦大學方志來團隊在p型氧化鎵深紫外日盲探測器研究中取得重要進展。報道表示，方志來團隊采用固-固相變原位摻雜技術，同時實現了高摻雜濃度、高晶體質量與能帶工程，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問題。
 

（4）北京鎵族科技
 

資料顯示，北京鎵族科技有限公司成立于2017年年底，是國內首家、國際第二家專業從事第四代（超寬禁帶）半導體氧化鎵材料開發及應用產業化的高科技公司，是北京郵電大學的唐為華老師從2011年以來致力于氧化鎵材料及器件形成科研成果的產業化平臺。
 

公司研發和生產基于新型超寬禁帶半導體材料氧化鎵的高質量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件、高頻大功率器件，已與合作單位一起已經實現1000V耐壓的肖特基二極管模型制作，并已經實現5000V耐壓的MOSFET模型制作，開發出氧化鎵基日盲紫外探測器分立器件和陣列成像器件，為深紫外光電器件提供了良好解決方案，可支持極弱火焰和極弱電弧實時檢測等，并已推出系統化模塊。公司已申請40余項專利，完成了產業中試的前期技術、人員、軟硬件等量產化要求的所有準備工作。公司擁有廠房面積1500平米，涵蓋完整的產業中試產線，具備研發和小批量生產能力，初步構建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質/同質外延襯底生產和研發平臺。未來將不斷完善晶體生長、晶體加工、外延薄膜性能測試、微納加工、聯合研發等六大平臺搭建。
 

（5）杭州富加鎵業
 

據官網信息，公司成立于2019年12月，注冊資金500萬，是由中國科學院上海光學精密機械研究所與杭州市富陽區政府共建的“硬科技”產業化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業。
 

富加鎵業專注于寬禁帶半導體材料研發，公司核心創始人具有中科院博士、劍橋大學博士等材料領域的深厚背景，團隊成員主要來自中國科學院、美英海歸等業內資深人才，研發人員中碩士以上比例達到80%；公司廠房面積八千余平米，擁有多臺大尺寸導模法晶體生長爐、多氣氛晶體退火爐、高精密拋光機等儀器設備，為公司的發展提供了基礎支撐和持續創新動力硬件保證。
 

富加鎵業最初技術來源于中科院上海光機所技術研發團隊，該團隊是我國最早從事氧化鎵晶體生長的團隊，從04年開始即開展研究。富加鎵業專業從事氧化鎵單晶材料設計、模擬仿真、生長及性能表征等工作，形成了較鮮明的特色和優勢。我們注重知識產權保護和氧化鎵相關基礎探索研究工作，在全球范圍內對氧化鎵晶體材料生長及上下游應用領域的專利進行布局，申請進入歐盟、美國、日本、韓國、新加坡等國家。團隊的氧化鎵晶體材料及器件基礎研究成果，多篇科研論文已發表在國際頂級學術期刊上，與全球科研工作者共享最新研究成果，共同推動全球第四代半導體相關行業的發展。
 

（6）其他

山東大學采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法研究了β相GaO薄膜的生長及其光學性質。北京郵電大學、電子科技大學、中山大學也分別獨立開展了β相GaO薄膜及日盲紫外探測器的研究，已取得了一些重要的研究成果，但基本未見在晶體材料方面的相關報道。
 

5、其他
 

印度的Raja Ramanna先進技術中心采用類似EFG的方法，生長出直徑5～8mm、長度40～50mm的低缺陷β相GaO單晶，（400）面XRC半高寬約為0.028°。

葡萄牙圣地亞哥大學采用激光加熱浮區法生長出了離子摻雜和非摻的低缺陷β相GaO晶體光纖。
 

隨著電動車和便攜式用電的需求成為主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已經明顯在第四代半導體的氧化鎵材料方面處于領先優勢，日本半導體界也將GaO作為日本半導體產業“復興的鑰匙”，已在國內掀起研發和應用的熱潮。與此同時，美國、中國、歐洲等也正在試圖追趕，可以想到的是，美日雙方從材料供應到技術合作必然要比中日合作更加深入，這場功率器件競賽已然拉開帷幕，而中國將可能獨自前行。
 

四、功率半導體的行業特征適合氧化鎵器件的爆發式增長
 

功率半導體用于所有電力電子領域，市場成熟穩定且增速緩慢。但是，業界對于更大功率（充放電更快）、更高效節能（減少發熱更安全環保）、更小體積和重量（更便攜易安裝維護）以及更低成本（更廣闊的應用和市場）的追求是永無止境的。因此近年來，新能源汽車、可再生能源發電、變頻家電、快充等新應用領域迎來了新的巨大增長點。
 

①行業特征一：不需要追趕摩爾定律，一般使用0.18~0.5um制程即可，倚重材料質量，對材料和器件的生產工藝要求高，因整體趨向集成化、模塊化，需要開發新的封裝設計。

l 設計環節：功率半導體電路結構簡單，不需要像數字邏輯芯片在架構、IP、指令集、設計流程、軟件工具等投入大量資本。
 

l 制造環節：因不需要追趕摩爾定律，產線對先進設備依賴度不高，整體資本支出較小。
 

l 封裝環節：可分為分立器件封裝和模塊封裝，由于功率器件對可靠性要求非常高，需采用特殊設計和材料，后道加工價值量占比達35%以上，遠高于普通數字邏輯芯片的10%。目前，根據在研項目和產品布局看，國內企業開始向價值量更高的中高端產品轉型。
 

②行業特征二：功率半導體行業一般采用IDM模式，更適合企業做大做強。上游的襯底、外延企業雖可以成為單獨環節，但如特征一所述，工藝占比很高，芯片設計和制造環節是要集成在一起的，否則將喪失技術進步的能力，并且產能受到限制，因此委外代工僅可作為低端產品的產能補充。
 

③行業特征三：新能源車等新興應用不斷推動新半導體材料興起。
 

氧化鎵單晶材料在功率電子器件方面具有極大的應用潛力。典型的應用領域包括：電動汽車、光伏逆變器、高鐵輸電、軍用電磁軌道炮、電磁彈射、全電艦艇推進等；除此之外，氧化鎵自身即有不錯的射頻特性，當前由于低成本及與GaN的低失配的特性，還可用于GaN材料的外延襯底，GaN及HEMT具有功率密度高、體積小、可工作在40GHz等優點，是5G基站攻略放大器的首選材料。因此，5G行業的迅速發展也將帶動氧化鎵單晶襯底產業的迅速發展。
 

新能源、5G等新興應用加速第三代和第四代半導體材料產業化需求，我國市場空間巨大且有望在該領域快速縮短和海外企業的差距。
 

①天時：第四代材料在高功率、高頻率應用場景具有配合第三代半導體取代硅材的潛力，行業整體都處于產業化起步階段。
 

②地利：受下游新能源車、5G、快充等新興市場需求以及潛在的硅材替換市場驅動，目前深入研究和產業化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術儲備較弱，真正有技術的公司面對的競爭壓力小。
 

③人和：第四代半導體核心難點在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價值，可獲得國家在政策和資金方面的大力支持。
 

五、我國發展氧化鎵的機遇與挑戰

從Yole的報道中可以看出，綠色線代表的GaO尺寸以前所未有的斜率快速增長，這得益于其材料可以通過上文提到的液相法進行生長，且已經接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。
 

硅基材料經過了50年的發展，達到了目前的12寸。
 

SiC材料的最大尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的美國Cree公司所推出的8英寸襯底樣品，其尚未導入大規模商業化，產業界剛剛準備規?；a基于6英寸襯底的功率器件。

由于國內LED產業的高度發展，業界基于8英寸硅基GaN的功率電子器件發展相對較快。
 

如此看來，GaO很有可能在尺寸方面，即大規模制造的可能性和成本方面對上述造成后來者居上的威脅。
 

圖：GaO與SiC成本對比（EE POWER）

成本方面，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構成來看，基于GaO材料的器件成本為195美金，是SiC材料器件成本的約五分之一，已與硅基產品的成本所差無幾。
 

目前我國正在大力發展第三代半導體SiC和GaN，對GaO剛剛開始關注，產業界、投資界對這種材料的特性和應用還未像前兩種材料一樣熟稔，有了解者也想當然認為SiC和GaN發展了數十年才達到現在的規模，那么GaO勢必也還需要十年甚至數十年的發展才能大規模應用。這樣的想法可能會導致我們失去國內技術和市場發展的先機。
 

六、縮寫
 

NICT：日本國立信息通信技術研究所National Institute of Information and Communications Technology

NCT：新奇晶體技術公司Novel Crystal Technology

IKZ：德國萊布尼茨晶體生長研究所

AFRL：美國空軍研究實驗室Air Force Research Laboratory

Tamura：日本田村制作所
 

參考文獻

1.FLOSFIA 開發GaO MOSFET溝道遷移率遠超商用SiC（集微網）

2.Gallium oxide power device firm gets £5m in second-round funding（Electronics Weekly）

3.AFRL: Breaking Records With Gallium Oxide（Compound Semiconductor）

4.Gallium Oxide’s Glorious Potential（Compound Semiconductor）

5.Gallium Oxide Could Have Lower Cost than SiC, NREL Analysis Reveals（EE POWER）

6.Gallium Oxide: Power Electronics’ Cool New Flavor（IEEE）

7.2020年半導體將很有趣（PC.Watch）

8.FLOSFIA和GaO半導體的溝道遷移率超過SiC(Flosfia)

9.什么是Mist Dry方法？(Flosfia)

10.成功使用氧化鎵外延膜開發了世界上第一個溝槽式MOS型功率晶體管(NCT)

11.碳化硅（SiC）：功率半導體產業發展新機遇（第三代半導體聯合創新孵化中心）

來源：宇文戩  進化半導體材料有限公司 集微網