1988年，日本在全球芯片生产中的份额超过50%，但如今已降至10%左右。所以，日本一直在为振兴半导体产业而努力。随着全球芯片制造商将重点从硅片转移到SiC晶圆片上，日本各大功率半导体企业纷纷在SiC领域大幅扩产，日本的半导体行业正寄希望于SiC作为日本电子行业的救星的潜力。而另一大功率半导体氧化镓或许也将为日本增添新的动力，因为日本在氧化镓领域已经取得重大突破，量产的曙光已现。

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氧化镓材料

第四代之超宽禁带氧化镓（Ga2O3）和钻石等新一代材料，特别是Ga2O3 因其基板制作相较于SiC与GaN更容易，又因为其超宽禁带的特性，使材料所能承受更高电压的崩溃电压和临界电场，使其在超高功率元件之应用极具潜力。

氧化镓是一种透明的超宽禁带氧化物半导体材料，禁带宽度约为4.8eV，远高于碳化硅的3.25eV和氮化镓的3.4eV。与硅（1.1eV）相比，氧化镓的禁带宽度更是前者的4.5倍。超宽禁带确保了氧化镓抗辐照和抗高温能力，可以在超低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质。

半导体材料特性对比

与前代半导体材料相比，氧化镓的击穿电场强度高达8MV/cm，是GaN的2.5倍，是SiC的3倍多 。高击穿场强的特性则确保了制备的氧化镓器件可以在超高电压下使用，有利于提高载流子收集效率。另外，氧化镓良好的化学和热稳定性，成本较低、制备方法简单、便于批量生产，在产业化方面优势明显。

氧化镓半导体与其他半导体材料性能对比

相关统计数据显示，从数据上看，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3，即在SiC比Si已经降低86%损耗的基础上，再降低86%的损耗，这让产业界人士对其未来有很高的期待。

此外，GaO材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3个数量级，这在芯片加工中可以规避很多问题，而且由于是同质外延，器件不会像GaN一样出现晶格失配问题。

而成本更是让其成为一个吸引产业关注的另一个重要因素。从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看，基于GaO材料的器件成本为195美金，是SiC材料器件成本的约五分之一，已与硅基产品的成本所差无几。

GaO和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状(Bulk)单结晶状态。实际上，通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的导模法EFG(Edge-definedFilm-fed Growth)，日本NCT已试做出最大直径为6英寸(150mm)的晶圆，直径为2英寸(50mm)的晶圆已经开始销售作研究开发方向的用途。这种工艺的特点是良品率高、成本低廉、生长速度快、生长晶体尺寸大。

另一家Flosfia使用的“雾化法”已制作出4英寸(100mm)的α相晶圆，成本已接近于硅。而碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)材料目前只能使用“气相法”进行制备，未来成本也将继续受到衬底高成本的阻碍而难以大幅度下降。对于Ga2O3来说，高质量与大尺寸的天然衬底，相对于目前采用的宽禁带SiC与GaN技术，将具备独特且显著的成本优势。

Ga2O3材料尺寸发展快速，短短几年时间已经追上了SiC和GaN当前最大尺寸，在量产经济性上已经达到了标准，同等加工能力的晶圆加工产线可以实现同等甚至更大规模的产量。而且，Ga2O3成本极低，这就可以让器件研发成本更低、可以有充分的试错空间，使开发和应用都更有效率。

如此看来，GaO很有可能在尺寸方面，即大规模制造的可能性和成本方面对上述造成后来者居上的威胁。

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氧化镓的应用领域

Ga2O3的应用方向很多，包括光电探测、功率器件、射频器件、气敏传感、光催化、信息存储和太阳能利用等。目前，氧化镓商业化趋势明朗的应用领域主要有2个方面。

功率电子器件

功率器件对材料的耐击穿场强要求较高，具有较大击穿电场强度的材料，所制备的功率器件性能会越好。通过对常规的半导体材料进行分析发现，随着带隙增大，材料的击穿电场强度有增加的趋势。氧化镓材料的带隙较宽，具有较大的击穿场强。其击穿场强可以达到8MV/cm，Si材料的20倍以上，比目前第3代半导体中的GaN和SiC材料高出一倍以上。氧化镓材料除了具有高的击穿场强外，制备成器件后能耗也大大降低，是Si、GaN和SiC不能比的。由于氧化镓材料具有高耐压、低功耗的优势，未来在高温、高频、大功率电力电子器件制备中具有广阔的应用价值。

日盲紫外光电探测器件

当太阳光通过大气层时，臭氧层会对 200 ～280nm范围的紫外光进行吸收，导致该波段的光在大气层以下是几乎不存在的，把该波段也被称为日盲波段。当探测器在该波段工作时，不受太阳光影响，背景噪音小，误报率低，可全天候工作，因此其在航空航天领域和军事领域具有重要的应用价值。

目前，日盲探测技术可以通过施加滤波片、或者对某些宽禁带半导体材料进行掺杂调控带隙来实现。但是，高质量的紫外滤波片成本较高，多元化合物薄膜生长工艺相对复杂，限制了日盲型紫外探测器的广泛应用。相比之下，氧化镓材料带隙为4.9eV，对应的吸收波长约为250nm的深紫外光，刚好为日盲紫外波段，被认为是日盲型光电器件的理想材料。

从富士经济于2019年6月5日公布的宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约 92.76亿元），这个市场规模要比GaN功率元件的规模（1085亿日元，约65.1亿元）还要大。

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氧化镓需要面对的挑战

虽然GaO材料具有诸多优点，大规模应用还是有一定的阻力，相信在日后都可一一克服。

衬底及外延大规模推广时间业界存疑：目前衬底市场为日本的NCT公司所垄断，虽然该公司已能提供2~4寸产品，但是定价极为昂贵，仅10mm*15mm的小尺寸衬底售价高达6000~8000元，做上外延更是高达2万~10万元。这让下游客户的技术和产品开发受到极大限制，业界对国内厂家何时能够提供物美价廉的衬底和外延产品普遍持悲观态度。这就需要有一家或若干家企业先形成供应能力，从源头上给下游企业供应链保障，并大幅度降低成本，激发下游企业的研发动力。

P型材料制备与应用：作为一款半导体材料，若想大规模应用一般是需要P型和N型共同存在，形成PN结从而参照Si的器件结构和工艺直接制造MOS、IGBT等多种器件，可以有广泛的市场应用。然而GaO目前仅有N型材料，这就让其未来的应用潜力充满不确定性，业界唯恐器件开发受到材料限制成为一条断头路，所以尽管当前Ga2O3 SBD已可实现量产，业界仍对Ga2O3的未来产生质疑。

新产品的导入需要时间：功率半导体应用十分广泛，因此TOP厂家都有成千上万的SKU型号以满足各行业客户选型需求，难以用一款爆品支撑市场。然而目前第三代半导体主要应用在快充(GaN)、新能源车及充电桩(SiC)以及光伏等领域，型号集中在几种规格就可以获取巨大的市场份额，也吸引了大量中小厂商试图切入市场。但是这几种市场各有特点，都需要时间形成性能和成本匹配的替代产品，以及通过行业内的严苛认证，这也意味着新产品的导入需要不短的时间。

虽然业界多方认为Ga2O3的低迁移率和低热导率会影响其应用导入，缺少P型材料会限制其发展，但是目前已有多种方法规避、改善这些问题，甚至一些问题并不构成实质的阻碍。因此，基于用户对功率密度更高、损耗更低、成本更低、性能更好的功率器件的渴求，我们相信Ga2O3将会在未来3-5年释放惊人的潜力，在今年就有团队成功研制出2英寸氧化镓晶圆。

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日本氧化镓的进展

日本在半导体材料领域一直有风向标的作用。在新型的功率半导体材料氧化嫁方面，日本也有望引起新一波潮流。根据日本Yano研究所市场报告预测，2025年氧化镓晶圆衬底将部分替代SiC、GaN材料，市场规模可达到2600亿日元；而据市场调查公司富士经济于 2019 年 6 月 5 日公布的 Wide Gap功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元，整个氧化镓市场容量将随着功率电子的发展呈现井喷式和跨越式发展。

什么是氧化镓？首先，氧化镓（Ga2O3）并不是一种新型材料，1952年，科学家们发现了它的五种变体α、β、γ、δ和ε，其中β-氧化镓更稳定。它已有近70年历史。在半导体领域，早期主要用于LED（发光二极管）和基板等，并没有用作功率半导体。现在由于其超宽的带隙优势，被视为是用作功率半导体的更新一代的材料。氧化镓拥有4.8eV的超大带隙，SiC和GaN的带隙为3.3eV，硅则仅有1.1eV。从下图可以看出氧化镓在临界电场强度和禁带宽度方面具有绝对优势。除了高带宽这个特点之外，使用氧化镓作为半导体材料的主要原因是其较低的生产成本。

在氧化镓方面的研究，日本在衬底、外延和器件的研发方面处于全球领先地位，早在2012年日本就首先实现2英寸氧化镓材料的突破。值得一提的是，研发氧化镓功率元件的并不是大中型功率半导体企业，而是一些初创企业。最近几年，在日本政府的大力支持下，依托于日本各大高校，分离出来了不少在氧化镓领域的厂商，他们取得了不少突破。

Novel Crystal Technology（NCT）是一家氧化镓的同质外延片的开发商、制造商和供应商。其主要聚焦β-Ga2O3。NCT的氧化镓技术基于日本田村株式会社、日本国立信息通信技术研究所（NICT）和东京农工大学。2021年6月16日，NCT在全球首次成功量产了100mm（4英寸）的“氧化镓”晶圆。这是氧化镓晶圆首次在全球范围内实现量产。而在2022年3月，NCT又使用HVPE方法在 6 英寸晶圆上成功外延沉积氧化镓，NCT表示，此举将有望将成本降到SiC的三分之一。据NCT预测，氧化镓外延晶圆片的市场到2030年度将扩大到约590亿日元规模。

7月25日，据日媒报道，日本FLOSFIA厂商预计将于2022年开始批量生产SBD（肖特基势垒二极管）。FLOSFIA于2011年从京都大学分拆出来，专门从事雾化学气相沉积 (CVD) 形成的氧化镓 (α-Ga2O3) 薄膜的研发和商业化。其中DENSO还投资了其2017年的C轮融资。

FLOSFIA在“TECHNO-FRONTIER 2022”上展出了使用氧化镓的SBD “氧化镓SBD” 的评估板。氧化镓SBD的最大额定电压为 600V，正向电流 (I f ) 为10A。FLOSFIA专注于α-Ga2O3的开发，该公司认为α型是最接近实际用途的功率器件。FLOSFIA拥有独特的成膜技术“雾干法”，可以生产出稳定且具有优异特性的α-Ga2O3。α-Ga2O3具有5.3eV的宽禁带和高击穿场强，可以更好地承受高压应用。

另外一家源自日本东北大学的初创企业C&A与日本东北大学教授吉川彰的研发团队研发出通过直接加热原料来制造氧化镓结晶的设备，制造出了最大约5厘米的结晶。新技术将原料装入用水冷却的铜质容器，利用频率达到此前约100倍的电磁波，使原料熔化。由于不需要昂贵的容器等原因，利用新方法能以目前约100分之1的成本制造氧化镓结晶。该公司力争在2年内制造出直径15厘米以上的结晶。

可见日本已经有不少企业取得了很大的成就，一旦基于氧化镓的功率半导体商业化，由于其在成本和性能方面的优势，它将适用于许多领域。那么当这个潮头来临的时候，日本企业必将首先获利。

本文来源：沃泰芯半导体，半导体行业观察，半导体材料与工艺设备