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本文系基于公開資料撰寫，僅作為信息交流之用，不構(gòu)成任何投資建議。

01
前言

關(guān)于氧化鎵，很多人第一次聽說這個(gè)名詞的可能是因?yàn)槔厦郎洗螌⒀趸壛袨榻钩隹诘墓芸夭牧?，屬于幫大家科普并提醒了一下，氧化鎵是種非常重要的材料，所以美國(guó)禁止對(duì)華出口了。

既然美國(guó)都這么重視了，都已經(jīng)上升到屬于清單上禁止出口的技術(shù)了，那必須非常認(rèn)真的去研究它。

筆者對(duì)研究半導(dǎo)體材料情有獨(dú)鐘，特別是對(duì)化合物半導(dǎo)體材料領(lǐng)域有比較深刻的研究。我一直認(rèn)為是以化合物半導(dǎo)體一個(gè)非常好的賽道，屬于產(chǎn)業(yè)界和投資界熱捧的黃金賽道，特別是在功率，光電，射頻這些硅材料難以企及和突破的領(lǐng)域，是未來化合物發(fā)揮特長(zhǎng)的陣地。

而且對(duì)中國(guó)而言，這些賽道基本屬于空白，各國(guó)涉也并不多，中國(guó)和世界一流水準(zhǔn)差距并不大，因此特別適合國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)和資本提前布局，爭(zhēng)取在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，未來中國(guó)能成為全世界的產(chǎn)業(yè)高地。

感謝創(chuàng)道硬科技的步日欣日總在氧化鎵專業(yè)知識(shí)方面的支持。

02

背景

2022年8月12日，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）在聯(lián)邦公報(bào)上發(fā)布一項(xiàng)臨時(shí)最終規(guī)定，對(duì)4項(xiàng)“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”實(shí)施最新出口管制，包括GAA技術(shù)，EDA軟件，PGC技術(shù)以及氧化鎵、金剛石這兩類超寬禁帶半導(dǎo)體材料，且該兩項(xiàng)出口管制于8月15日已生效。

隨后氧化鎵登上熱搜。

氧化鎵本屬于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前沿研究材料之一，此前也就業(yè)內(nèi)小范圍的研究和探討。但是一夜之間，因?yàn)槊绹?guó)禁止對(duì)華出口而登上熱搜，于是氧化鎵搖身一變，成為行業(yè)內(nèi)最炙手可熱的熱門賽道，國(guó)內(nèi)外加速對(duì)氧化鎵產(chǎn)業(yè)的深入研究和資本投入，可謂熱極一時(shí)。

氧化鎵目前所展示的其各種特性，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域具備超強(qiáng)的潛力，在一定程度上被認(rèn)為是 下一代功率半導(dǎo)體的材料之王 。

到這點(diǎn)大家會(huì)問了，碳化硅不是剛剛成為行業(yè)黃金賽道，怎么又冒出來一個(gè)氧化鎵呢？到底誰更有潛力呢？

我在此前的碳化硅長(zhǎng)文里聊起過這個(gè)問題，碳化硅的晶體制備是非常困難的，碳化硅沒有溶液形態(tài)，只有固態(tài)和氣態(tài)，因此其長(zhǎng)晶的工藝難度非常大，效率非常低，想到得到高質(zhì)量的晶體相當(dāng)困難，而且碳化硅相當(dāng)硬，晶體的切磨拋，以及器件工藝刻蝕，離子注入，退火，歐姆接觸等工藝都和硅完全不同，需要投入大量的資源研發(fā)新設(shè)備，對(duì)產(chǎn)業(yè)而言并不友好。、

但是以上這些缺點(diǎn)，氧化鎵幾乎沒有！氧化鎵特性和硅比較接近，存在和硅共線的可能性，所以氧化鎵在對(duì)比碳化硅的方面，有自己獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，甚至有隱約有超越的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然不是說氧化鎵就一定比碳化硅更好，應(yīng)該說兩種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。以前我總認(rèn)為氧化鎵離產(chǎn)業(yè)落地似乎還有很長(zhǎng)的距離，但是今年日本兩家企業(yè)表示明年氧化鎵器件就會(huì)應(yīng)用到車上，這點(diǎn)更是提醒我，也許氧化鎵的進(jìn)度比想象的快多了，更值得我們?nèi)ド钊雽W(xué)習(xí)和研究。

所以我會(huì)喊出，也許十年氧化鎵走完碳化硅三十年的路。

03

材料篇：基礎(chǔ)特性和優(yōu)缺點(diǎn)

氧化鎵，化學(xué)式為Ga2O3，氧化鎵有5種同分異構(gòu)體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3最穩(wěn)定，也是業(yè)內(nèi)主要的研究對(duì)象，所以一般探討的氧化鎵都是指β-Ga2O3，日本有公司專門研究α的比較非主流。

氧化鎵和當(dāng)下明星碳化硅相比，它有更高的禁帶寬度，達(dá)到了4.9eV，高于4H碳化硅3.2eV和氮化鎵的3.4eV，僅次于氮化鋁的6.1eV的和金剛石5.5eV，是已知的禁帶寬帶最大的半導(dǎo)體材料之一。

所以這種禁帶寬度較大材料，也叫寬禁帶半導(dǎo)體材料。國(guó)內(nèi)為了區(qū)分，把超過2.2eV小于4eV的碳化硅，氮化鎵等叫第三代半導(dǎo)體材料，把大于4eV的叫做第四代半導(dǎo)體材料，所以第四代半導(dǎo)體材料包括了氧化鎵，氮化鋁，金剛石，以及氧化鋅（ZnO）。

禁帶寬度的意思是一個(gè)電子要變成自由電子，需要獲得足夠的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，而禁帶寬度意味著這個(gè)躍遷所需能量值的大小，寫作Eg。

禁帶寬度屬固體物理學(xué)的范圍，也是半導(dǎo)體材料的一個(gè)基礎(chǔ)物理性質(zhì)，是一個(gè)很重要的特征參量。

最典型的就是禁帶寬度和材料本身的發(fā)光效率有很大關(guān)系。

基本上，可以把禁帶寬度和發(fā)光的波長(zhǎng)，看成一個(gè)反比例關(guān)系，禁帶寬度越大，材料能發(fā)的光波長(zhǎng)越短。

可用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來表達(dá)：禁帶寬度*波長(zhǎng)=1240。

比如你想要得到波長(zhǎng)為250nm的紫外光，那你就需要1240/250=4.9，禁帶寬度大于4.9eV的半導(dǎo)體材料才行。

關(guān)于這個(gè)1240是怎么來的，是一個(gè)很復(fù)雜的計(jì)算公式，涉及普朗克常量，各位不用去細(xì)究，只要記住結(jié)論即可。

除了禁帶寬度高，氧化鎵還有著極其逆天的超臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到8MV/cm，擊穿場(chǎng)強(qiáng)是指電介質(zhì)材料的介電強(qiáng)度。

電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下，會(huì)失去介電性質(zhì)變成導(dǎo)體，簡(jiǎn)單理解就是絕緣性失效的臨界點(diǎn)。

再通俗一點(diǎn)，頭頂氧化鎵，雷劈都不怕！可惜那些年飛升失敗的道士們，要是他們知道世界上有氧化鎵這種材料，飛升的時(shí)候還怕那三道天雷？還怕成不了金丹大道？

但是氧化鎵也有缺點(diǎn)，較為典型的問題就是熱導(dǎo)率太低，以及電子遷移率太低。

氧化鎵的熱導(dǎo)率是非常低的，100晶面低至0.13，甚至連硅的1/10都不到！這種時(shí)候就不是用低來形容，你把它看到一個(gè)保溫材料都不為過。

太低的熱導(dǎo)率非常影響器件散熱效果，這對(duì)于下游大功率領(lǐng)域器件應(yīng)用而言是個(gè)很大的問題，而電子遷移率太低，也非常影響器件過大電流的能力。

因此綜上所述，筆者認(rèn)為以氧化鎵這種特性，具備高壓，高速開關(guān)特性，但是不具備過大電流的能力，想要在功率半導(dǎo)體有廣闊的應(yīng)用還有諸多挑戰(zhàn)。

04

材料篇：晶體的制備問題

氧化鎵有5種同分異構(gòu)體，分別為α、β、γ、ε和δ。在超過600度后只會(huì)形成β型，這點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于碳化硅。

碳化硅有多達(dá)200多種晶型，但是能用的主要是4H晶型，所以想要得到只有4H晶型的碳化硅難度非常大，長(zhǎng)晶過程中不可控因素太多，且容易造成晶體的內(nèi)部因?yàn)橛衅渌投纬扇毕荨?/p>

氧化鎵則不存在這個(gè)問題，高溫之后只有β晶型。這點(diǎn)上看，氧化鎵的晶體質(zhì)量，稍加以時(shí)日，必然高于碳化硅，工藝窗口非常寬，晶體更容易做，且缺陷更少，質(zhì)量更好，不像碳化硅那樣必須小心翼翼的控制著晶體生長(zhǎng)的工藝窗口。

因此氧化鎵在晶體材料方面有天然的優(yōu)勢(shì)。

此外氧化鎵有常壓下的液相形態(tài)，這點(diǎn)對(duì)于材料而言，簡(jiǎn)直天選之子。

在眾多第四代半導(dǎo)體材料中，氧化鎵有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是唯一在常壓下具有液相形態(tài)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，這點(diǎn)與硅非常相似，因此其長(zhǎng)晶方法可以利用熔體法，并具有大規(guī)模，高效率的特點(diǎn)，這也奠定了氧化鎵低成本制備的可能性，這點(diǎn)非常寶貴。碳化硅，氮化鎵最大的困惑就是長(zhǎng)晶體實(shí)在太慢了，所以成本一直居高不下，這點(diǎn)上氧化鎵對(duì)比碳化硅和氮化鎵有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

熔體法，目前被認(rèn)為是材料生長(zhǎng)最優(yōu)秀的特征，是理想中的長(zhǎng)晶方式，從歷史上來看，正是因?yàn)楣璨牧峡梢允褂萌垠w法制備，形成目前以硅材料占絕對(duì)主導(dǎo)的半導(dǎo)體材料。

氧化鎵基于熔體法誕生出布里奇曼法，區(qū)熔，提拉，導(dǎo)膜法，等各種氧化鎵長(zhǎng)晶工藝，業(yè)內(nèi)均有一定的探索。目前導(dǎo)膜走的最遠(yuǎn)最為成熟，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有4英寸的晶體，預(yù)測(cè)明年就能看到6英寸的晶體，其他技術(shù)路線進(jìn)度稍慢，大約是2-4英寸的水平。

導(dǎo)膜法相對(duì)而言，工藝比較簡(jiǎn)單，晶體質(zhì)量好，目前國(guó)內(nèi)的水平大概是7-8小時(shí)一爐，一爐大約能長(zhǎng)2個(gè)4英寸的晶錠，厚度在1cm-3cm之間，這長(zhǎng)晶速度已經(jīng)是碳化硅的十倍以上了。

當(dāng)然導(dǎo)膜法也有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，需要用到一種特殊的坩堝材料——Ir，銥。

銥是一種非常特殊的金屬，而且產(chǎn)量很低，價(jià)格非常昂貴，比黃金貴3倍以上，而且國(guó)內(nèi)是沒有銥的礦源，因此完全依賴進(jìn)口，所以用個(gè)幾公斤，一個(gè)銥坩堝單價(jià)就高達(dá)數(shù)百萬元，整套設(shè)備價(jià)格接近千萬級(jí)，這對(duì)于未來想要大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)，是個(gè)很大的難題，銥資源的問題目前國(guó)內(nèi)沒辦法解決。

能做的就是走少用銥，或者干脆不用銥，用其他材料替代的，因此業(yè)內(nèi)也有公司探索無銥的工藝路線。

但是筆者覺得，只要是化學(xué)元素表靠后的元素，都不可能便宜。

據(jù)進(jìn)化半導(dǎo)體（深圳）的公開資料報(bào)道，該公司采用了無銥的技術(shù)路線，無需使用昂貴的銥坩堝，且設(shè)備成本低至幾十萬，符合大規(guī)模量產(chǎn)的基礎(chǔ)。

我們認(rèn)為一旦6英寸晶體制備技術(shù)被證明是成熟的，可靠的，晶體質(zhì)量是能滿足器件級(jí)的要求的，那么氧化鎵的時(shí)代將來臨！因?yàn)?英寸這個(gè)尺寸是商業(yè)化量產(chǎn)的起點(diǎn)、原因有兩條，其一是6英寸的工藝成熟度很高！而且氧化鎵和硅以及氮化鎵性質(zhì)比較接近，存在共線的可能性，改造花費(fèi)小。

其二6英寸產(chǎn)線非常多，國(guó)內(nèi)至少有幾十條線，選擇余地非常大！產(chǎn)業(yè)資源是非常豐富的，是能夠?yàn)檠趸壆a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供較好溫床的！

換言之，氧化鎵只要6英寸的晶體夠多，夠便宜，它的發(fā)展速度會(huì)比當(dāng)年碳化硅要快的多。

氧化鎵十年超碳化硅三十年并非空話。

05

工藝篇：切磨拋工藝、外延工藝、器件工藝

1. 切磨拋工藝

氧化鎵的莫氏硬度在5-6之間，屬于不硬的物質(zhì)，甚至比硅都軟，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于9.3的碳化硅，因此其切磨拋工藝相對(duì)碳化硅而言，實(shí)在是太友好了，非常較簡(jiǎn)單，可以通過硅線設(shè)備改造而來，該工藝不存在難點(diǎn)。

2.外延工藝

外延工藝是制造好的器件的必然基礎(chǔ)。

對(duì)于氧化鎵而言，可以通過MOCVD的方法生長(zhǎng)氧化鎵外延和氮化鎵外延，此外業(yè)界也有研究使用HPVE氫化物外延法做的。

MOCVD比較主流，雖然單價(jià)貴新設(shè)備基本都是千萬級(jí)別的，但是假如二手設(shè)備能改那選擇余地就非常大了，國(guó)內(nèi)有大量的LED廠，有各種型號(hào)的MOCVD設(shè)備。假如某種型號(hào)能證明是可以通過改造后用的，那想象空間就比較大了。不過使用MOCVD的外延法速度不快，但是這方面工藝和人才都比較成熟，強(qiáng)在產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，具備產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展基礎(chǔ)。

HPVE氫化物外延法，設(shè)備比較便宜，外延速度也比較快，但是外延層質(zhì)量一般，只有少數(shù)公司在這個(gè)方向上研究，整體上灑家認(rèn)為MOCVD是主流，HPVE只能算個(gè)補(bǔ)充。

應(yīng)該值得慶幸的是，氧化鎵不需要MBE分子束外延，因?yàn)槟菛|西基本就不具備量產(chǎn)化可能，雖然外延質(zhì)量很高，但是效率實(shí)在是太慢了，設(shè)備還貴。

提到外延就不得不提兩種外延片，氧化鎵基氧化鎵外延片（GaO on GaO）和氧化鎵基氮化鎵外延片（GaN on GaO）。

氧化鎵基氧化鎵外延片，沒啥好說的，N型導(dǎo)電襯底做功率，和碳化硅基本差不多。

氧化鎵基氮化鎵外延片，應(yīng)該是半絕緣型襯底，做類似光電，射頻類器件，和半絕緣碳化硅襯底上長(zhǎng)氮化鎵外延意思也差不多，不過氧化鎵和氮化鎵的晶格適配率接近98%，超過碳化硅和氮化鎵的95%，基本可以視為是同質(zhì)外延層，可以確定的是，只要水平到位，氧化鎵基氮化鎵外延片具有極其優(yōu)良的性能！而且好長(zhǎng)，質(zhì)量高！

3.器件工藝

器件工藝也就是一般意義上的FAB前道工藝。

相比碳化硅的工藝問題，氧化鎵的要好處理多了！所以我前文會(huì)提到氧化鎵存在和硅共線的可能性，不光是硅，同樣氮化鎵各方面也比較接近，因此只要能做硅，或者氮化鎵的線，都具備通過簡(jiǎn)單改造后來做氧化鎵，設(shè)備相似率超過90%，這點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于碳化硅。碳化硅的設(shè)備相似率只有50%，一半設(shè)備需要置換。

光刻

這個(gè)沒什么好說的，主流6英寸光刻機(jī)，基本都能處理，要注意的氧化鎵是幾乎完全透明的薄片，因此需要特殊的干膜光刻膠，處理手法和碳化硅類似，碳化硅也是半透明的物質(zhì)，目前產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有經(jīng)驗(yàn)了。

刻蝕

首先氧化鎵不像碳化硅這么硬，因此不需要大能量的刻蝕設(shè)備，無需CCP，僅需ICP，和硅比較接近，理論上可以通過魔改硅刻蝕設(shè)備來滿足氧化鎵的刻蝕需求。

此外由于國(guó)內(nèi)有很多氮化鎵的線，能做氮化鎵就能做氧化鎵。

離子注入/摻雜工藝

摻雜工藝的難題是幾乎所有化合物半導(dǎo)體的工藝難點(diǎn)，特別是P型摻雜。

比如碳化硅的P型摻雜主要使用的是Al，Al不僅原子團(tuán)較大，而且電離能量相當(dāng)小，摻雜率低至3%，濃度非常低，設(shè)備還需要特殊高能的離子注入機(jī)，現(xiàn)在又貴，交期又長(zhǎng)，很痛苦。

相比之下氧化鎵的P型摻雜可能難度比碳化硅更難，目前主流的方法還是采用離子注入法，P型摻雜源使用錫，同樣錫和鋁的問題類似，都存在原子團(tuán)大，電離能量小，摻雜濃度低的問題。

除了離子注入法之外，有公開報(bào)道說，美國(guó)有科研機(jī)構(gòu)采用調(diào)制摻雜技術(shù)，能做出非常高濃度的P型摻雜，空穴遷移率高出當(dāng)下離子注入法一個(gè)數(shù)量級(jí)，似乎用的是鐵。

這個(gè)調(diào)制摻雜技術(shù)也不算什么新鮮事，砷化鎵上用過，算是比較成熟的工藝，但是在氧化鎵似乎還是一次新的嘗試，各方都在摸索，目前P型摻雜工藝被認(rèn)為是氧化鎵最大的工藝難題之一，還沒有成熟且完美的方案。

退火工藝

氧化鎵的退火工藝，稍微比硅復(fù)雜，但是難度低于碳化硅，因此工藝上不存在太大難點(diǎn)。

歐姆接觸

比碳化硅簡(jiǎn)單，不存在太大難度。

柵極工藝

也比碳化硅簡(jiǎn)單，和氮化鎵較為接近。

散熱工藝

公開報(bào)告稱，在2019年，中國(guó)科學(xué)院微系統(tǒng)所與與西電郝躍院士團(tuán)隊(duì)合作，采用離子束剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)Ga2O3單晶薄膜與高導(dǎo)熱硅基和碳化硅基襯底的異質(zhì)集成，制備出了Ga2O3/Si和Ga2O3/SiC異質(zhì)集成材料，對(duì)比基于同質(zhì) Ga2O3襯底的器件，異質(zhì)集成Ga2O3器件熱穩(wěn)定性有顯著的提升。

換句話說，可以用先剝離原有氧化鎵襯底，再貼上碳化硅，氮化鋁等高熱導(dǎo)率的襯底，來進(jìn)行散熱。

此外業(yè)內(nèi)認(rèn)為碳化硅的雙面銀燒結(jié)工藝，可以從系統(tǒng)上基本解決氧化鎵熱導(dǎo)率差的問題。

所以這兩種技術(shù)一旦成熟，氧化鎵的熱導(dǎo)率低的問題，完全可以用各種工程方案解決。

其他類

其他如沉積，清洗，量測(cè)，CMP等，基本和硅和氮化鎵相通，不再贅述。

本篇的基礎(chǔ)科普以及完結(jié)，下一篇將主要講國(guó)內(nèi)外氧化鎵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，重點(diǎn)探討氧化鎵如何才能走上正軌。

水平有限，如有錯(cuò)誤，希望各種指正。（ 作者：陳啟，啟哥有何妙計(jì) ）