01
氧化镓的性能、应用和本钱
1.1 第四代半导体质料
1.2 氧化镓的晶体结构和性子
氧化镓有5种同素异形体，划分为α、β、γ、ε和δ 。其中β-Ga2O3（β相氧化镓）最为稳固，当加热至一定高温时，其他亚稳态均转换为β相，在熔点1800℃时必为β相 。现在工业化以β相氧化镓为主 。
氧化镓质料性子：
注：由于日盲紫外器件主要使用氧化镓薄膜，本报告中的氧化镓特指单晶衬底，故主要讨论氧化镓在功率器件、射频器件等领域的应用 。
1.3 氧化镓：挑战碳化硅
氧化镓是宽禁带半导体中唯一能够接纳液相的熔体法生长的质料，并且硬度较低，质料生长和加工的本钱均比碳化硅有优势，氧化镓将周全挑战碳化硅 。
1. 氧化镓的功率性能好、消耗低
氧化镓的Baliga优值划分是GaN和SiC的四倍和十倍，导通特征好 。氧化镓器件的功率消耗是SiC的1/7，也就是硅基器件的1/49 。
2. 氧化镓的加工本钱低
氧化镓的硬度比硅还软，因此加工难度较小，而SiC硬度高，加工本钱极高 。
3. 氧化镓的晶体品质好
氧化镓用液相的熔体法生长，位错（每平方厘米的缺陷个数）＜102cm-2，而SiC用气相法生长，位错个数约105cm-2 。
4. 氧化镓的生长速率是SiC的100倍
氧化镓用液相的熔体法生长，每小时长10~30mm，每炉2天，而SiC用气相法生长，每小时长0.1~0.3mm，每炉7天 。
5. 氧化镓晶圆的产线本钱低，起量快
氧化镓的晶圆线与Si、GaN以及SiC的晶圆线相似度很高，转换的本钱较低，有利于加速氧化镓的工业化进度 。从日本经济新闻网报道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次乐成量产以新一代功率半导体质料氧化镓制成的100毫米晶圆，客户企业可以用支持100毫米晶圆的现有装备制造新一代产品，有用运用已往投资的老装备 。”来看，氧化镓不像SiC需要特殊装备而必需新建产线，潜在可转换的产能已很是重大 。
1.4 氧化镓的应用领域：功率器件
氧化镓的四大机缘：
氧化镓的目的市� 。�
氧化镓容易取胜的市� 。�
新能源车OBC/逆变器/充电桩
DC/DC：12V/5V→48V转换
IGBT的存量市场
1.5 氧化镓的应用领域：射频器件
GaN市场需要大尺寸、低本钱的衬底，才华真正施展GaN质料的优势 。
同质衬底上生长同质外延的外延层品质是最好的，但由于GaN衬底价钱很高，在LED、消耗电子、射频等领域接纳相对廉价的衬底，如Si、蓝宝石、SiC衬底，但这些衬底与GaN晶体结构的差别会造成晶格失配，相当于用本钱牺牲了外延品质 。当GaN同质外延GaN，才华用在激光器这类要求较高的应用场景 。
GaN与氧化镓的晶格失配仅2.6%，以氧化镓衬底，异质外延生长的GaN品质高，且无铱法生长6寸氧化镓的本钱靠近硅，有望在GaN射频器件市场获得主要应用 。
图：2英寸带有GaN外延层的Synoptics氧化镓晶体管
（Ref：美国空军研究实验室AFRL，2020）
1.6 氧化镓行业相关政策
海内的支持政策：
02
氧化镓衬底的长晶与外延工艺
熔体法是生长半导体质料最理想的方法，有以下几个优势 。
尺寸大：小籽晶能够长出大晶体；
产量高：每炉晶锭可切出上千片衬底；
品质好：位错可趋于0，晶体品质很好；
长速快：每小时能够长几厘米，比气相法快得多 。
氧化镓是宽禁带半导体中唯一有常压液态的质料，即可用上述熔体法生长 。氧化镓生长常用的直拉法为熔体法的一种，需要依赖铱坩埚（贵金属Ir单质），缘故原由是直拉法生长氧化镓需要高温富氧的情形，不然质料容易剖析成Ga和O2，影响产品，而只有贵金属铱坩埚能够在这种极端情形下坚持稳固 。
表：半导体质料的长晶工艺比照
图：直拉法生长氧化镓的示意图
（Ref：Y. Yuan,et al., Fundamental Research, 1, 697, 2021）
2.2 氧化镓的长晶工艺
图：无铱法与导模生长氧化镓的工艺流程
（Ref：K. Heinselman,et al., Cryst. Growth Des., 22, 4854, 2022；日本C&A公司）
2.3 有铱、无铱的本钱比照
有铱法：美国国家可再生能源实验室（NREL）展望，在无特殊晶圆制造工艺优化的情形下，有铱法长6寸氧化镓的本钱为283美金（≈2000元人民币），接纳种种节约本钱的步伐后，能够降到195美金 。其中，铱坩埚及其消耗占有过半 。
无铱法：日本C&A公司报导了2寸无铱法的效果，宣称本钱能够大幅下降至导模法的1/100 。
2.4 氧化镓同质外延
2.5 氧化镓的掺杂与器件应用
03
氧化镓的学术研究、应用生长
3.1 氧化镓衬底竞赛
SiC从2寸到6寸花了20年（1992-2012），而氧化镓从2寸到6寸仅4年（2014-2018）
外洋：日本NCT公司领跑全球氧化镓工业，供应全球近100%的氧化镓衬底，2寸片2.5万元，4寸片5-6万元 。
海内：中电科46所在2018年创立了海内的氧化镓4寸纪录，山东大学于2022年也报道了4寸，现在海内还未泛起有量产能力的公司或院校，一定水平上限制于铱坩埚的本钱 。
图：海内外氧化镓衬底尺寸进度
（注：CZ为直拉法，EFG为导模法，均需要用铱坩埚，贵金属铱的价钱约为黄金的三倍 。NICT：日本国立信通院；Tamura：日本田村制作所；Namiki：日本细密宝石株式会社；IKZ：德国莱布尼兹晶体生长研究所）
3.2 氧化镓器件竞赛
（Ref：S. Sharma, et al., IEEE Electron Device Letters, 41(6), 2020；X. Wang, et al., Journal of Synthetic Crystals, 50(11), 2021.
NICT：日本国立信通院；ARFL：美国空军研究实验室；Buffalo：美国纽约州立大学布法罗分校）
3.3 针对氧化镓质料弱点的研究
只管氧化镓保存热量方面的挑战，但氧化镓的散热是工程可以解决的问题，并不组成工业化障碍 。如下图所示，美国弗吉尼亚理工大学通过双面银烧结的封装方法解决散热问题，能够导走肖特基结处爆发的热量，在结处的热阻为0.5K/W，底处1.43，瞬态时可以通过高达70A的浪涌电流 。
2、解决P型掺杂
氧化镓能带结构的价带无法有用举行空穴传导，因此难以制造P型半导体 。近期斯坦福、复旦等团队已在实验室实现了氧化镓P型器件，预计将逐步导入工业化应用 。如下图所示，斯坦福大学在2022年8月揭晓了实验室实现氧化镓P型笔直结构的效果，以Mg-SOG镁扩散的方法，形成PN结，开启电压为7V，开关速率109 。
04
氧化镓的工业链与市场空间
4.1 氧化镓工业链
氧化镓衬底和外延环节位于功率器件的工业链上游 。类比碳化硅工业链，价值集中于上游衬底和外延环节：1颗碳化硅器件的本钱中，47%来自衬底，23%来自外延，衬底+外延共占70% 。
随着氧化镓的本钱进一步降低，衬底占比会比SiC小得多 。
图：氧化镓的工业链
4.2 氧化镓在功率器件的市场
日本氧化镓领域着名企业FLOSFIA预计，2025年氧化镓功率器件市场规模将最先凌驾GaN，2030年抵达15.42亿美元（约人民币100亿元），抵达SiC的40%，抵达GaN的1.56倍 。（注：FLOSFIA展望的数据比Yole展望的偏守旧，Yole展望2027年碳化硅功率器件市场容量62.97亿美元，FLOSFIA展望2030年38.45亿美元 。）
仅就新能源车市场而言，2021年全球新能源车销量650万辆，新能源汽车渗透率为14.8%，而碳化硅的渗透率为9%，随着新能源车的渗透率提高，市场规模将逐步扩大，现在现在SiC、GaN还远未抵达能够左右市场的水平，相较而言，氧化镓的生长窗口很是充裕 。
4.3 氧化镓在射频器件的市场
氧化镓在射频器件的市场容量可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场 。SiC半绝缘型衬底主要用于5G基站、卫星通讯、雷达等偏向，2020年SiC外延GaN射频器件市场规模约8.91亿美元，2026年将增添至22.22亿美元（约人民币150亿元） 。
05
氧化镓的竞争名堂与工业化希望
日本：IDM全工业链领跑全球
国际上只有日本形成量产并最先工业化的应用，主要应用领域为工业电源、工业电机控制等，工业方以安川电机、佐鸟电机为主要代表 。日本预计将在2023年量产氧化镓功率器件：
一样平常NCT公司已在Ga2O3实验线上制造了器件样品，正在建设量产线，妄想2023年量产 。
日本FLOSFIA将在2023年Q2之前，氧化镓器件的产能抵达每月数十万个，向汽车零部件厂商等销售 。
日本电子零部件厂商田村制作所也将在2024年以每月数万个的规模启动生产，到2027年将产能提高至每月约6000万个 。
图：日本FLOSFIA公司的氧化镓功率器件市场战略
美国：氧化镓器件研究最为先进
美国现在仅Kyma公司有1寸衬底产品，单晶尺寸上落伍于中国，工业链也较为空缺 。器件效果很是突出，立异能力强盛，种种立异的结构和工艺极大地推动了氧化镓器件的前进 。
中国：衬底环节紧追日本
我国的氧化镓衬底能够小批量供应，外延、器件环节工业化历程险些空缺，研发主力军和突出效果都在高校和科研院所当中 。不过，我国氧化镓器件的研发处于天下Top3，在IP方面，扭转了在SiC领域的被动时势 。现在的氧化镓的工业阶段类似SiC在特斯拉Model 3推出之前的状态，手艺储备已经完成，期待标记性事务引爆市场 。
总的来说，在未来10年，氧化镓器件将有可能成为直接与碳化硅竞争的电力电子器件，但作为半导体新质料，氧化镓市场规模的突破取决于本钱的快速降低 。未来几年是日本最先大规模导入氧化镓的要害阶段，中国能否紧跟业界脚步，需要海内氧化镓工业界携手起劲 。
