我國第四代半導體材料制備近期連續(xù)取得突破。

(資料圖片僅供參考)

3月14日，西安郵電大學宣布，該校陳海峰教授團隊日前成功在8英寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵（GaO）外延片；此前在2月底，中國電子科技集團有限公司（中國電科）宣布，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。

作為備受關(guān)注的第四代半導體材料之一，氧化鎵目前在部分產(chǎn)品上已有使用，但距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用尚遠。“第四代半導體材料現(xiàn)在的研究成果距離應用落地，我感覺還有5年左右的時間。”國內(nèi)某第三代半導體材料大廠一位高管對第一財經(jīng)表示，“不過看用在哪里，光電類的可能會快一些，日盲探測類現(xiàn)在也有產(chǎn)品，只是襯底尺寸很小。”

相比第三代半導體材料性能更優(yōu)

第四代半導體材料包括超寬禁帶半導體和超窄禁帶半導體，前者包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁，后者如銻化鎵、銻化銦等。

作為超寬禁帶半導體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達到4.9eV，超過第三代半導體材料（寬禁帶半導體材料）的碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV）。更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。

此外，氧化鎵的導通特性約為碳化硅的10倍，理論擊穿場強約為碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領域在能源方面的消耗。數(shù)據(jù)顯示，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3。

中國科學院院士郝躍曾表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。

與碳化硅類似，氧化鎵在功率器件領域有更突出的特性優(yōu)勢，目前業(yè)內(nèi)對于氧化鎵的普遍期待都是應用在功率器件上，尤其是大功率應用場景。

日本氧化鎵領域知名企業(yè)FLOSFIA預計，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達到15.42億美元（約合人民幣100億元），達到碳化硅的40%，達到氮化鎵的1.56倍。

氧化鎵理論上更具成本優(yōu)勢

在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造尺寸更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積，進一步降低成本。上述大廠高管也表示，相比第三代半導體材料，理論上氧化鎵更有成本優(yōu)勢。

據(jù)悉，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為195美元，約為碳化硅材料器件成本的五分之一，與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。此外，氧化鎵的晶圓產(chǎn)線與硅、碳化硅、氮化鎵的差別不大，轉(zhuǎn)換成本不高。

不過，由于高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難。目前我國大尺寸氧化鎵半導體材料的產(chǎn)出僅限于實驗室與高校，距離規(guī)模量產(chǎn)較遠，日本則在氧化鎵量產(chǎn)方面走在前列。

據(jù)當?shù)孛襟w報道稱，日本新興企業(yè)Novel Crystal Technology正在加緊推進配備在純電動汽車上的功率半導體使用的氧化鎵晶圓的實用化，計劃2025年起每年生產(chǎn)2萬枚100毫米晶圓，到2028年量產(chǎn)生產(chǎn)效率更高的200毫米晶圓。該公司社長倉又認為，氧化鎵比碳化硅更占優(yōu)勢。他表示，Novel Crystal擁有可將成本降低到三分之一的自主工藝。

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