导热性低、成本高等问题尚待优化
在上文中,我们已经详细的讲解了氧化镓作为新一代半导体材料所具备的优势,但要像大规模落地,还有一些需要解决的缺点:
一是氧化镓导热性低,在目前已知的所有可用于射频放大或功率切换的半导体中,氧化镓的导热性最差。其热导率只有金刚石的1/60,碳化硅(高性能射频氮化镓的基底)的1/10,约为硅的1/5。低热导率意味着晶体管中产生的热量可能会停留,有可能极大地限制器件的寿命。
二是成本问题,上文中提到氧化镓器件的损耗更低,但要知道氧化镓衬底主要采用导模法进行生产,导模法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长,对生长环境要求很高,需要耐高温、耐氧,还不能污染晶体等特性的材料做坩埚,综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。而铱的价格极其昂贵,接近黄金的三倍,仅坩埚造价就超过600万,从大规模生产角度很难扩展设备数量,另一方面,铱只能依赖进口,给供应链带来很大风险。
三是氧化镓器件目前仅有N型材料,而一般大规模应用的半导体材料需要P型和N型共同存在,形成PN结从而参照Si的器件结构和工艺直接制造MOS、IGBT等多种器件,才能有广泛的市场应用。
市场新风口,未来前景有多大?
近年来,以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料需求爆发,成为资本市场追逐的对象。如今,以氧化镓为代表的第四代半导体材料的闪亮登场,有望成为半导体赛道的新风口。
根据日本氧化镓企业FLOSFIA预计,2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓,2030年达到15.42亿美元(约人民币100亿元),达到碳化硅的40%,达到氮化镓的1.56倍。
单看新能源车市场,2021年全球新能源车销量650万辆,新能源汽车渗透率为14.8%,而碳化硅的渗透率为9%,随着新能源车的渗透率提高,市场规模将逐步扩大,目前碳化硅、氮化镓还远未达到能够左右市场的程度,相比之下氧化镓的发展窗口非常充裕。
在射频器件市场,氧化镓的市场容量可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场。碳化硅半绝缘型衬底主要用于5G基站、卫星通讯、雷达等方向,2020年碳化硅外延氮化镓射频器件市场规模约8.91亿美元,2026年将增长至22.22亿美元(约人民币150亿元)。
从应用领域来看,氧化镓在以下方面将会得到长远发展:
1.功率电子
氧化镓功率器件跟氮化镓、碳化硅有部分重合,在军民应用领域有广泛的应用前景。在军用领域可用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等,可大幅降低武器装备系统损耗,减小热冷系统体积和重量,满足军事应用部件对小型化、轻量化、快速化与抗辐照耐高温的要求;在民用领域可用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域,能够实现更大的节能减排;
2.衬底材料
氧化镓能通过提拉法快速制备,是一种有潜力的衬底材料,可用来制备大功率GaN基LED,也可以利用同质外延制备新型氧化镓基功率电子器件;
3.透明导电氧化物薄膜
氧化镓晶体化学性质稳定,不易被腐蚀,机械强度高,高温下性能稳定,有高的可见光和紫外光的透明度,尤其是其在紫外和蓝光区域透明,这是传统的透明导电材料所不具备的,因此β-Ga2O3单晶可以成为新一代透明导电材料,在太阳能电池、平板显示技术上得到应用;
4.日盲紫外光探测器及气体传感器
由于氧化镓高温下性能稳定,有高的可见光和紫外光的透明度,尤其是在紫外和蓝光区域透明,因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。