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【材料/设备】中国研发再突破!15亿美元的氧化镓市场如何引发多国博弈?

来源:全球半导体观察    原作者:禾忍    

近日,国内对第四代半导体材料——氧化镓的研发迎来了新的突破。

据“浙大杭州科创中心”消息,该中心先进半导体研究院发明了全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆,目前已经成功制备直径2英寸(50.8mm)的氧化镓晶圆。

国际首创!浙大开发新技术成功制备2英寸氧化镓晶圆

浙江大学杭州国际科创中心介绍称,使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际尚属首次。

浙大科创中心研发团队张辉教授介绍,使用新技术路线生长的氧化镓晶圆有两个显著优势:

一是使用这种方法生长出的氧化镓晶圆的晶面具有特异性,使得制作的功率器件具有较好的性能;

二是由于采用了熔体法新路线,减少了贵金属铱的使用,使得氧化镓生长过程不仅更简单可控,成本也更低,具有更大的产业化前景。

经检测,科创中心采用新技术路线研制出的这批氧化镓晶圆的导电类型为半绝缘型,直径尺寸达到50.8±0.5mm,表面粗糙度小于0.5nm,光学透过率良好,高分辨X射线摇摆曲线测试半高宽小于100弧秒,衍射峰均匀对称,单晶质量较好,关键技术指标已达领域内的先进水平。

氧化镓行业前景广阔,多国争抢15亿美元市场

当前,以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料迅速发展,但不容忽视的是,以氧化镓和锑化镓为主的第四代半导体材料也正在逐渐走进人们的视野。

据悉,使用氧化镓制作的半导体器件可以实现更耐高压、更小体积、更低损耗,可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。

有分析师预测,到2030年,氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。

从全球范围来看,对于第四代半导体氧化镓的研究,以日本最为领先。早在2012年,日本便获得2英寸氧化镓材料,并于2014年实现了批量产业化,随后又实现了4英寸氧化镓材料的突破及产业化。

据中国电子报报道,日本企业Novell Crystal Technology正联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头,以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构,推动氧化镓单晶及衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。

此外,美国、德国、法国等也在加紧氧化镓产品的研究和竞争,如美国的空军研究实验室、海军实验室和宇航局;德国的莱布尼茨晶体生长研究所、以及法国圣戈班等都已加入氧化镓材料及器件研发的浪潮中。

专家看好未来发展,10年后或直接与SiC器件竞争

尽管主流技术路线生长的氧化镓晶体,成本比较高,一定程度上影响了氧化镓材料在国内的大规模产业化,但作为国际科技战略必争高地,氧化镓产品的研制已经成为我国未来的研发重点之一。

2017年9月,氧化镓被科技部高新司列入重点研发计划;2018年3月,北京市科委率先开展了前沿新材料的研究,把氧化镓列为重点项目。此外,安徽等省/市也在“十四五”科技创新规划公布的集成电路重大专项中提出,研发氧化镓等宽禁带半导体材料、工艺、器件及芯片。

尽管从目前来看,国内氧化镓的发展尚处于早期研发阶段,但中国科学院院士郝跃依然看好氧化镓的发展。

在郝跃看来,氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一,在未来的10年左右,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争。

事实上,我国对于氧化镓的研究已有十余年时间。经过多年氧化镓晶体生长技术探索,中国电科46所分别于2016年和2018年相继制备出了国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶和4英寸氧化镓单晶。

2022年3月,中国电科46所再次成功研制出拥有自主知识产权的高耐压性能半导体材料——HVPE氧化镓同质外延片,填补了国内技术空白。

除了中电科46所外,国内研究氧化镓的机构和高校还包括西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、山东大学等。

国内氧化镓初创企业崭露头角

众所周知,第三代半导体材料已经吸引了众多企业的关注及投资。据粗略统计,国内从事第三代半导体业务的企业达数十家,包括露笑科技、斯达半导、闻泰科技、三安光电、比亚迪等A股企业。

而从事第四代半导体的企业数量暂时仅有少数几家,其中,以杭州富加镓业、北京铭镓半导体、北京镓族科技、深圳进化半导体等为主的初创企业已经开始崭露头角。

以下为部分企业介绍:

01北京镓族科技

北京镓族科技成立于2017年,专业从事超宽禁带(第四代)半导体氧化镓材料开发及器件芯片应用产业化的国家高新技术产业公司,涵盖完整的产业中试产线,具备研发和小批量生产能力,初步构建了氧化单晶衬底、氧化镓异质/同质外延衬底生产和研发平台。

2019年,镓族科技开始向产业化公司开放服务,现已为中国电科、中国航天、国家电网公司、索斯克科技等全国100多家从事氧化镓后端器件开发的研究机构和企业客户提供上游材料保障。

02杭州富加镓业

杭州富加镓业成立于2019年,是由中国科学院上海光学精密机械研究所与杭州市富阳区政府共建的“硬科技”产业化平台——杭州光机所孵化的科技型企业。

杭州富加镓业专注于宽禁带半导体材料研发,最初技术来源于中科院上海光机所技术研发团队,主要从事氧化镓单晶材料设计、模拟仿真、生长及性能表征等工作。

03北京铭镓半导体

铭镓半导体成立于2020年,是国内专业从事氧化镓材料及其功率器件产业化的高新企业,专注于新型超宽禁带半导体材料氧化镓的高质量单晶与外延衬底、高灵敏度日盲紫外探测器件和高频大功率器件等产业化高新技术的研发。

目前,铭镓半导体已实现量产2英寸氧化镓衬底材料,突破4英寸技术,是目前唯一可实现国产工业级“氧化镓”半导体晶片小批量供货中国厂家,已完成两轮融资。

04深圳进化半导体

进化半导体成立于2021年,是一家专业从事第四代半导体氧化镓(Ga2O3)晶片研发、生产和销售的半导体企业,是少有的拥有氧化镓的单晶炉设计、热场设计、生长工艺、晶体加工等全系列自主知识产权技术的氧化镓单晶衬底生产商之一。

2021年8月,进化半导体宣布,已完成数千万元人民币天使轮融资,将主要用于工艺研发以及尺寸拓展,预计在一年内实现2英寸β相的单晶衬底的小批量生产和销售。

封面图片来源:拍信网