第四代半導體已出現丨氧化鎵能取代碳化矽？

隨著數位化、智慧化的時代到來，半導體產業的熱度不斷高漲。尤其是量子資訊和人工智慧等高科技領域的快速發展，推動了半導體以及多功能裝置技術的快速更新和迭代。為適應高性能、低成本的要求，業界將目光投向了第四代半導體，而最受矚目的莫過於氧化鎵。

憑藉一系列優異的材料特性，氧化鎵有望改變目前的復合半導體市場，讓國內的晶片廠商實現彎道超車。但氧化鎵材料仍面臨許多挑戰，本文就其優勢、挑戰和市場前景作了較為詳盡的闡述。

出口管制下的半導體關鍵原料

中國於2023年8月1日起，對半導體原料的鎵、鍺實施嚴格的出口限制。業界對此意見不一，許多人將此舉視為對荷蘭ASML公司加大光刻機出口限制的反應。然而，2022年8月美國在對中國的出口禁令中，也包括了一種高純度半導體材料－氧化鎵。美國商業部的工業安全管理局（BIS）宣佈對耐高溫耐高壓的四代半導體材料－氧化鎵和鑽石，還有專為3nm及以下晶片設計而生的ECAD軟體，都納入了出口管制範圍。

當時並沒有太多人注意到這一點，但一年之後，中國對鎵進行了出口控制，這引起了業界對第四代半導體關鍵原料的重視。在半導體產業中，鎵和鍺是一種重要的原料，在第一代到第四代半導體中都有應用。在摩爾定律面臨瓶頸的今天，具有更大禁頻寬度的半導體材料如鑽石、氧化鎵、AlN及BN等，其優異的物理性能有可能成為下一代資訊技術的驅動力。

對中國來說，半導體技術的發展已經到了一個非常重要的階段，尤其是美國的各種制裁，更是讓這項技術的突破發展變得極為關鍵。雖然面臨著巨大的挑戰，但只要我們能夠在這場半導體技術革命中取得勝利，中國就有可能從“製造大國”變成“製造強國”，從而迎來一個世紀以來最大的變革。它既是中國科學技術實力的一次大檢驗，也是向世人展示中國應對世界科學技術挑戰的好機會。

超越碳化矽，氧化鎵的優勢

氧化鎵，這種第四代半導體材料，具備禁頻寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性好等優點。氧化鎵有五種已確認的結晶形態，其中最穩定的是β-Ga2O3。其禁頻寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強高達8 MV/cm，而其導通電阻比SiC、GaN低得多，大大降低了裝置的導通損耗。其特性參數巴利加優質（BFOM）高達3400，約為SiC的10倍、GaN的4倍。

相較於碳化矽和氮化鎵，氧化鎵的生長過程可以使用常壓下的液態熔體法，這使得其品質高、產量大且成本低。但SiC、 GaN等材料因其特殊性質，目前僅能採用氣相法製備，且需維持較高的溫度、較高的能耗。這意味著，在生產上，氧化鎵會佔據一定的成本優勢，而國內的工廠也會迅速擴大產能。

與SiC相比， 氧化鎵在各方面都優於SiC。特別是其較大的禁頻寬度和較高的擊穿場強，使得它在高功率和高頻率應用中具有顯著優勢。

氧化鎵的具體應用與市場潛力

氧化鎵的發展前景日益凸顯，該市場目前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia兩大巨頭壟斷。 NCT自2012年開始投入氧化鎵的研發，成功突破多項關鍵技術，包括2吋氧化鎵晶體與外延技術，以及氧化鎵材料的量產等。其高效性與高性能受到了業界的廣泛認可。其在2021年成功量產4吋氧化鎵晶圓，並已開始供應客戶晶圓，為日本在第三代化合物半導體競賽中再度保持領先。

根據NCT預測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量成長，到2030年度將擴大到約30.2億元人民幣規模。 FLOSFIA預測，到2025年，氧化鎵功率元件市場規模將開始超過氮化鎵，2030年將達到15.42億美元（約100億元），佔碳化矽的40%，是氮化鎵的1.56倍。根據富士經濟的預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規模將達到1,542億日圓（約92.76億元），將超過氮化鎵功率元件的市場規模。這種趨勢反映了氧化鎵在功率電子裝置中的重要性及其未來的潛力。

在一些特定應用領域，氧化鎵有著巨大的優勢。在功率電子領域，氧化鎵功率元件與氮化鎵、碳化矽有部分重合，軍用領域主要應用於高功率電磁炮、戰車戰機艦艇等電源控制系統以及抗輻照、耐高溫太空航用電源等。民用領域則主要應用於電網、電力牽引、光電、電動車、家用電器、醫療裝置及消費性電子等領域。

能源車市場也為氧化鎵提供了巨大的應用場景。然而，國內在車規級功率元件方面一直很薄弱，目前尚無車規的SiC MOS IDM。雖然有幾家在XFab代工的Fabless企業可以快速具備較為全面的SBD和MOS規格推向市場，銷售和融資進展較為順利，但是未來仍要自建FAB 形成IDM掌握產能、研發獨有工藝，才能產生差異化的競爭優勢。

充電樁對成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機會。如果能滿足甚至超過性能需求的同時，以成本優勢獲得市場的認可，那麼氧化鎵在這個領域的應用就有很大的可能性。

在射頻元件市場，氧化鎵的市場容量可參考碳化矽外延氮化鎵裝置的市場。新能源汽車的核心是逆變器，對裝置的規格要求非常高。目前，有意法半導體、日立、安森美、Rohm等企業能夠量產供應車規級SiC MOSFET。預計到2026年，這一數字將增長至22.22億美元（約150億元），顯示氧化鎵在射頻元件市場具有廣闊的應用前景和市場潛力。

電力電子領域的另一個重要應用是48V電池。隨著鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統取代鉛蓄電池12V電壓系統，達到高效率、減重、節能的目的。這些鋰電池系統內將廣泛採用48V電壓，對於電子電力系統來說，所需的是高效率的48V→12V/5V轉換。以二輪電動車市場為例，根據2020年的資料顯示，中國電動兩輪車整體產量為4,834萬輛，年增27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對這樣的市場，氧化鎵、GaN和矽基SG-MOS元件等100V耐壓大電流元件正在瞄準這個應用發力。

在工業領域，它有幾大機會和優勢，包括單極替換雙極，更高的能源效率，易於大規模生產，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來的電力應用中可能扮演重要角色。長期來看，氧化鎵的功率裝置預計將在650V/1200V/1700V/3300V的市場中發揮作用，並預計在2025年至2030年將全面滲透車載和電氣裝置領域。短期來說，氧化鎵的功率元件將首先在消費性電子、家電以及高可靠、高性能的工業電源等領域出現。它的這些特性可能使其在矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料之間形成競爭。

筆者認為，未來幾年氧化鎵的競爭焦點將集中在400V平台的常規使用650V裝置領域。這個領域的競爭將涉及開關頻率、能量損耗、晶片成本、系統成本、和可靠性等多個因素。然而，隨著技術的進步，平台可能升級為800V，這將需要使用1200V或1700V裝置，這已經是SiC和Ga2O3的優勢領域。在這個競爭中，新創公司有機會透過與客戶深入溝通，建立場景認知、車規體系和客戶心智，為向車企客戶逆變器應用奠定堅實基礎。

總的來說，氧化鎵在功率元件領域有很大的潛力，能夠在多個領域與SiC、GaN等材料競爭，滿足高效能、低能耗、高頻和高溫等高效能應用的需求。但是，新材料在逆變器和充電器等應用上的滲透需要時間，需要不斷進行面向特定應用的適合規格的開發，並逐步向市場推廣。

（半導體材料與製程裝置）