第四代半导体材料氧化镓发展应用趋势

杭州镓仁半导体有限公司 氧化镓应用前景 氧化镓是什么？ Ø氧化镓(Ga2O3)是一种超宽禁带半导体，存在多种不同的晶相，可以互相转化 Ø常压下β相最稳定，熔体法生长温度高，只能获得β相 Øβ相的晶体结构为单斜，对称性低，各向异性强，带来诸多问题 为什么氧化镓受关注：性能优越 Ø与SiC、GaN相比，氧化镓具有更大的禁带宽度、击穿场强、巴利加优值Ø制作的功率器件具有更高的工作电压、功率，以及更小的导通电阻和功耗 RightsReservedS. J. Pearton, et al., Appl. Phys. Rev., 2018, 5, 011301；A. J. Green, et al., APL Mater., 2022, 10, 为什么氧化镓受关注：可用熔体法生长 Ø具有生长速度快（1~2个数量级）、大规模量产成本低、可做高质量大尺寸晶体等优点 为什么氧化镓受关注：可加工性 Ø氧化镓的硬度（6）与硅的硬度接近，可以用硅成熟的加工设备和技术（金刚线切割，CMP） Ø具有高的加工效率和成品率，可显著降低成本 氧化镓优势：器件性能优势 •小体积、低损耗、高压大功率、低成本•与硅基产线90%共线，8英寸氧化镓晶圆衬底可与硅基产线适配 氧化镓器件的应用领域及市场前景 Ø氧化镓在大于600V的中压、高压以及特高压功率器件领域具有广阔的应用前景，如新能源汽车与充电桩等。 Ø也是潜在的高功率射频器件材料，电子饱和速度、约翰逊优值较高，在射频器件领域具有很大应用潜力 RightsReserved8Ø此外，氧化镓还可用于日盲探测、抗辐照等特有领域，支持空间经济、低空经济的发展 1、氧化镓的行业背景 Ø高压、高耐温、大功率、高频率、低损耗的器件成为迫切需求，宽禁带半导体成为热点和增长点 Ø氧化镓是国家的重大需求，具有广阔应用前景，有望规模化商用！ 氧化镓主要问题及进展 氧化镓产业化发展的主要挑战 Ø如何解决热导率问题 Ø如何低成本高质量衬底材料供应问题 热导率（W/cm∙K）：氧化镓0.11vs硅1.5 氧化镓生长难点：挥发分解 Ø氧化镓在化学计量比处是一致熔融化合物，可以获得熔体 Ø氧化镓高温下（1400℃）挥发、分解，且分解产物易与金属坩埚反应 Ø需要含氧气氛抑制氧化镓分解，稳定熔体 RightsReserved12M. Zinkevich et al., J. Am. Ceram. Soc., 2004, 87, 683; Z. Galazka, Springer Series in Materials Science, 2020, 293, p15-35 氧化镓生长难点：坩埚的选择少和电阻加热难 Ø氧化镓的熔点在1800℃左右，含氧气氛下可选的坩埚种类少 Ø含氧气氛使得硅等常见材料的成熟生长技术和装备不能直接使用，需要重新开发 氧化镓生长难点：固液界面不稳定 Ø氧化镓导热性差，自由载流子吸收严重，导致生长时固液界面不稳定 Ø缺陷形成能低，易形成各种缺陷（螺旋生长、孪晶、位错等） RightsReservedH. Aida et al., Jpn. J. Appl. Phys., 2008, 47, 11; J. D. Blevins et al., IEEE Trans. Semicond. Manuf., 2019, 32,466 氧化镓单晶生长技术总结 RightsReservedØ利用铸造法及加工技术，氧化镓衬底直径每年实现一个尺寸的突破，已达国际领先Ø全球首片8英寸衬底，也是目前唯一能提供8英寸衬底的单位 氧化镓产业化应用的挑战：散热困难 Ø异质键合、超薄衬底、双面散热是解决散热困难的有效思路。 解决思路1：异质键合 解决思路2：超薄衬底 解决思路3：双面封装 Ø双面封装与微通道冷却集成的主动热管理策略,使器件结-环境热阻从39.8K/W降至13.3 K/W（降低66.6%）(Zhou et al., International Journal ofThermal Sciences. 2026) Ø衬底减薄至85μm后，封装器件热阻从6.45K/W降至2.21 K/W，与商用SiCSBDs相当(Feng Z. et al., IEEE T. Electron. Dev., 2025) (Xu et al., Fundamental Research. 2021) 氧化镓产业化应用的挑战：P型掺杂困难 ØP型掺杂困难，其解决尚需时间 Ø但晶体管器件目前已探索出三种技术方案：P型氧化物异质结、UMOSFET、FinFET 解决思路1：P型氧化物异质结 解决思路2：UMOSFET 解决思路3：FinFET Ø利用p型NiO作为新型终端，获得击穿电压>8000V，击穿场强>6MV/cm，导通电阻~5.24 mΩ⋅cm2，P-FOM>13.2 GW/cm2(Zhang et al., Nature Communications. 2022) ØBV=5.15 kV, PFOM=1.23 GW/cm²(日本NCT公司第72届应用物理学会春季学术会议报告) Ø形成U形沟槽栅极MOSFET（UMOSFET），器件击穿电压提升至1330V(Liu et al., Applied Physics Express, 2025) UMOSFET的横截面结构示意图 p-NiO/n-Ga2O3异质型PN结二极管结构 氧化镓应用发展趋势 氧化镓发展趋势一：商用外延突破将加速器件发展 散热封装已有工程化方案 与硅基产线兼容 ★当前产业化的核心技术瓶颈 ★当前产业化的核心技术瓶颈 Ø行业共识：目前半导体产业的技术重心已发生转移，“能否做出晶体”早已不是瓶颈，而“能否稳定供应可用的衬底片+外延片”才是制约产业发展的关键 Ø镓仁正在通过自主研发突破工艺壁垒，解决这一问题。 氧化镓发展趋势一：商用外延突破将加速器件发展 镓仁开创中国特色技术路线（铸造法（100）+MOCVD），逐步替代日本技术路线（导模法(001)+HVPE） 03外延生长 02衬底加工 01单晶生长 氧化镓发展趋势一：商用外延突破将加速器件发展 8英寸外延片 6英寸外延片 质量高：XRD半高宽<40弧秒 氧化镓发展趋势二：头部器件厂商投入将加速应用验证 氧化镓发展趋势二：头部器件厂商投入将加速应用验证 氧化镓发展趋势三：终端厂商进场促进应用牵引 p美国氧化镓器件公司GalloxSemiconductors，2023年成立，由美国康奈尔大学孵化，创始人为ACCESS中心成员（美国空军实验室与康奈尔联合成立的氧化镓研究机构）。Gallox公司专注于氧化镓器件的开发与销售。 氧化镓发展趋势三：终端厂商进场促进应用牵引 氧化镓发展趋势三：终端厂商进场促进应用牵引 p德国氧化镓外延片公司NextGOEpi，由德国莱布尼兹晶体生长研究所（IKZ）孵化。与欧洲头部车规级功率器件、模块企业合作，氧化镓功率器件的验证和市场应用 p韩国氧化镓器件上市公司，与韩国头部车企联合进行氧化镓器件研发与验证 镓仁半导体介绍 镓仁半导体公司基本情况 创始团队来自浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室，在浙大杭州国际科创中心进行小试 公司成立于2022年，位于杭州，从事氧化镓衬底、外延和氧化镓专用设备的研发、生产、销售 独创铸造法氧化镓长晶技术，创造衬底每年升级一代尺寸的记录，全球首发8英寸氧化镓衬底外延 建成全球首条6/8英寸氧化镓同质外延产线，并批量出货给数家头部芯片器件厂商 已获五轮融资，国内头部投资机构领投，战略股东为下游应用大厂 镓仁的服务架构 商用6英寸氧化镓外延片 兼容现有6英寸硅基工艺 Ø镓仁一站式氧化镓解决方案，构建从产品到生态的全链路服务体系 诚邀合作 设计公司(Fabless) 高校/科研院所 外延片+中试平台+Fab对接 RightsReserved 产业化路线图 中期2028-2029 示范应用验证 近期2027-2028 突破核心应用市场准入，推动氧化镓器件在高端领域的商业化落地与规模化应用 现在 器件验证推进 6英寸外延工程化交付 针对关键应用场景，开展长周期、多工况的器件可靠性测试，完善失效分析与优化体系。 完成核心工艺突破，实现标准化、规模化的工程化产品交付能力，确立技术落地基础。 总结与展望 总结与展望 国内氧化镓产业链齐全，近三年衬底和外延发展迅速，将很快与国外头部企业并跑，甚至领跑，这也将极大加快国内器件产业化的进程 基于我们技术的测算，6英寸衬底未来三年内其成本可做到1000元以下，具备产业化竞争力 我们正在走一条中国特色的技术路线（铸造法（100）+MOCVD），逐步替代日本开发的主流技术路线（导模法(001)+HVPE）实现材料商用 散热是限制氧化镓应用的问题之一，可通过减薄、封装以及异质集成解决；p型掺杂是氧化镓最难的科学问题，极大限制MOS器件的应用，但已有解决方案，有望解决 建议终端应用厂商伙伴加快氧化镓预研立项，镓仁服务体系助力车规应用推进 衷心感谢各位专家敬请批评指正！