【行业报告】氧化镓：第四代宽禁带半导体材料

 一、氧化镓的性能、应用和成本 

1.1  第四代半导体材料

图：按照禁带宽度排序的半导体材料

注：金刚石、氮化铝衬底/外延工艺难度大（气相法生长，每小时几微米，且尺寸仅毫米级）、成本高等问题，难进入功率器件领域。（Ref：H. Sheoran, et al., ACS Appl. Electron. Mater., 4, 2589, 2022）

1.2 氧化镓的晶体结构和性质

氧化镓有5种同素异形体，分别为α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga₂O₃（β相氧化镓）最为稳定，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。目前产业化以β相氧化镓为主。

氧化镓材料性质：

• 超宽禁带，在超高低温、强辐射等极端环境下性能稳定，并且对应深紫外吸收光谱，在日盲紫外探测器有应用。
• 高击穿场强、高Baliga值，对应耐压高、损耗低，是高压高功率器件不可替代的明星材料。

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采用液相的熔体法生长的材料，并且硬度较低，材料生长和加工的成本均比碳化硅有优势，氧化镓将全面挑战碳化硅。

1. 氧化镓的功率性能好、损耗低

氧化镓的Baliga优值分别是GaN和SiC的四倍和十倍，导通特性好。氧化镓器件的功率损耗是SiC的1/7，也就是硅基器件的1/49。

2. 氧化镓的加工成本低

氧化镓的硬度比硅还软，因此加工难度较小，而SiC硬度高，加工成本极高。

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. 氧化镓的生长速度是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. 氧化镓晶圆的产线成本低，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，转换的成本较低，有利于加速氧化镓的产业化进度。从日本经济新闻网报道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量产以新一代功率半导体材料氧化镓制成的100毫米晶圆，客户企业可以用支持100毫米晶圆的现有设备制造新一代产品，有效运用过去投资的老设备。”来看，氧化镓不像SiC需要特殊设备而必须新建产线，潜在可转换的产能已非常巨大。

1.4  氧化镓的应用领域：功率器件

氧化镓的四大机遇：

• 单极替换双极：即MOSFET替换IGBT，新能源车及充电桩、特高压、快充、工业电源、电机控制等功率市场中，淘汰硅基IGBT已是必然，硅基GaN、SiC、Ga₂O₃是竞争材料。
• 更加节能高效：氧化镓功率器件能耗低，符合碳中和、碳达峰的战略。
• 易大尺寸量产：扩径、生产简单，芯片工艺易实现，成本低。
• 可靠性要求高：材料稳定，结构可靠，高品质衬底/外延。

氧化镓的目标市场：

• 长期来说，氧化镓功率器件覆盖650V/1200V/1700V/3300V，预计2025年至2030年全面渗透车载和电气设备领域，未来也将在超高压的氧化镓专属市场发挥优势，如高压电源真空管等应用领域。
• 短期来说，预计氧化镓功率器件将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域。
  

氧化镓容易取胜的市场：

• 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、低成本的衬底，才能真正发挥GaN材料的优势。

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衬底价格很高，在LED、消费电子、射频等领域采用相对廉价的衬底，如Si、蓝宝石、SiC衬底，但这些衬底与GaN晶体结构的差异会造成晶格失配，相当于用成本牺牲了外延品质。当GaN同质外延GaN，才能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寸氧化镓的成本接近硅，有望在GaN射频器件市场得到重要应用。

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

国内的支持政策：

二、氧化镓衬底的长晶与外延工艺 

熔体法是生长半导体材料最理想的方式，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材料，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），原因是直拉法生长氧化镓需要高温富氧的环境，否则原料容易分解成Ga和O₂，影响产物，而只有贵金属铱坩埚能够在这种极端环境下保持稳定。

表：半导体材料的长晶工艺对比

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、无铱的成本对比

• 有铱法：美国国家可再生能源实验室（NREL）预测，在无额外晶圆制造工艺优化的情况下，有铱法长6寸氧化镓的成本为283美金（≈2000元人民币），采用各种节约成本的措施后，能够降到195美金。其中，铱坩埚及其损耗占据过半。

  
  

• 无铱法：日本C&A公司报导了2寸无铱法的成果，宣称成本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

三、氧化镓的学术研究、应用发展 

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）

• 国外：日本NCT公司领跑全球氧化镓产业，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。

  
  

• 国内：中电科46所在2018年创造了国内的氧化镓4寸记录，山东大学于2022年也报道了4寸，目前国内还未出现有量产能力的公司或院校，一定程度上限制于铱坩埚的成本。

图：国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，贵金属铱的价格约为黄金的三倍。NICT：日本国立信通院；Tamura：日本田村制作所；Namiki：日本精密宝石株式会社；IKZ：德国莱布尼兹晶体生长研究所）

3.2  氧化镓器件竞赛

• 美国：美国的器件研究成果最突出，各种创新的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本国供应，最先形成日本国内的氧化镓产业链。
• 中国：随着我国衬底和外延的进步，器件相关结果也达到了国际水平。

（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  针对氧化镓材料缺点的研究

尽管氧化镓存在热量方面的挑战，但氧化镓的散热是工程可以解决的问题，并不构成产业化障碍。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式解决散热问题，能够导走肖特基结处产生的热量，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效进行空穴传导，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，预计将逐步导入产业化应用。如下图所示，斯坦福大学在2022年8月发表了实验室实现氧化镓P型垂直结构的成果，以Mg-SOG镁扩散的方式，形成PN结，开启电压为7V，开关速度10⁹。

四、氧化镓的产业链与市场空间

4.1  氧化镓产业链

氧化镓衬底和外延环节位于功率器件的产业链上游。类比碳化硅产业链，价值集中于上游衬底和外延环节：1颗碳化硅器件的成本中，47%来自衬底，23%来自外延，衬底+外延共占70%。

随着氧化镓的成本进一步降低，衬底占比会比SiC小得多。

图：氧化镓的产业链

4.2  氧化镓在功率器件的市场

日本氧化镓领域知名企业FLOSFIA预计，2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过GaN，2030年达到15.42亿美元（约人民币100亿元），达到SiC的40%，达到GaN的1.56倍。（注：FLOSFIA预测的数据比Yole预测的偏保守，Yole预测2027年碳化硅功率器件市场容量62.97亿美元，FLOSFIA预测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，目前现在SiC、GaN还远未达到能够左右市场的程度，相较而言，氧化镓的发展窗口非常充裕。

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、雷达等方向，2020年SiC外延GaN射频器件市场规模约8.91亿美元，2026年将增长至22.22亿美元（约人民币150亿元）。

五、氧化镓的竞争格局与产业化进展

日本：IDM全产业链领跑全球

国际上只有日本形成量产并开始产业化的应用，主要应用领域为工业电源、工业电机控制等，产业方以安川电机、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：

• 日常NCT公司已在Ga₂O₃实验线上制造了器件样品，正在建设量产线，计划2023年量产。

• 日本FLOSFIA将在2023年Q2之前，氧化镓器件的产能达到每月数十万个，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。器件成果非常突出，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。

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、器件环节产业化进程几乎空白，研发主力军和突出成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世界Top3，在IP方面，扭转了在SiC领域的被动局面。目前的氧化镓的产业阶段类似SiC在特斯拉Model 3推出之前的状态，技术储备已经完成，等待标志性事件引爆市场。

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，但作为半导体新材料，氧化镓市场规模的突破取决于成本的快速降低。未来几年是日本开始大规模导入氧化镓的关键阶段，中国能否紧跟业界脚步，需要国内氧化镓产业界携手努力。

来源：沃衍资本

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