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新2会员网址(www.hg108.vip):氧化镓半导体市场或将达15亿美元,一文盘点重点企业的项目进程

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在针对中国的最新举措中,美国政府对最初在日本开发的下一代半导体材料实施了出口管制。


上个月,美国商务部工业和安全局 (BIS) 发布了一项裁决,将氧化镓半导体基板确定为对美国的国家安全“新兴和基础”技术“必不可少”。


氧化镓是一种很有前途的材料,可用于制造用于电动汽车和其他(包括军事)应用的更高效的功率器件。有意思的是,在该领域领先的美国公司的一个主要投资者是美国国防部。


正如参与其商业化的日本公司Taiyo Nippon Sanso所解释的,“氧化镓作为功率器件的理论性能远高于硅,也超过了碳化硅和氮化镓,是一种优秀的材料。”


那么,氧化镓半导体的潜力如何呢?中国的研究进程怎么样?全球有哪些重点企业?


氧化镓的巨大潜力


功率半导体通过将电能从交流电转换为直流电并将电压调整到适当的水平来提供和控制用于运行电机和为电池充电的电力。现阶段使用的大多数是由硅、碳化硅和氮化镓制成的,而氧化镓目前才从研发转向最初的商业应用。


对于很多人来说,氧化镓还比较陌生。简单来说,这种材料拥有超宽禁带的特性,能承受更高电压的崩溃电压和临界电场,因此在超高功率元件的应用方面极具潜力。再加上其高质量与大尺寸的天然衬底,相对于目前采用的宽禁带碳化硅与氮化镓技术,具备独特且显著的成本优势。


在对半导体至关重要的五个特性中,高临界电场强度是β-氧化镓的最大优势。这种品质有助于产生高压开关,也可能意味着强大的射频设备。β-氧化镓的一大弱点是导热率低,这意味着热量会被困在设备内部。


插图:IEEE,来源:GREGGH.JESSEN等人在2017年第75届年度设备研究会议(DRC)上发表“TOWARD REALIZATION OF GA2O3 FOR POWER ELECTRONICS APPLICATIONS”。


与其他宽禁带半导体相比,氧化镓具有使其与商业化生产工艺兼容的多种特性。例如,像硅一样,氧化镓也可以通过离子注入工艺进行掺杂。最重要的是,氧化镓晶圆可以通过商业晶体生长技术制造,例如Czochralski方法,这与GaN不同,GaN必须在硅、SiC或蓝宝石衬底上生长,存在晶格失配导致损坏的风险。


业界正在研究基于氧化镓的半导体功率器件,例如肖特基势垒二极管和晶体管。其他应用包括深紫外光电探测器。


中国的氧化镓研究进程


在中国,氧化镓的研究已经进行了十年,近几年也已经有所突破。中国科学院院士郝跃在接受采访时明确指出,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。


2022年5月,浙大杭州科创中心宣布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。2022年6月,中国科大微电子学院龙世兵教授课题组两篇论文入选第34届功率半导体器件和集成电路国际会议(ISPSD),在高耐压氧化镓二极管和增强型氧化镓场效应晶体管两个课题取得突破。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。中国电子科技集团公司46所成功制作出国内第一块100mm单晶氧化镓晶圆。


同时,也有专注于氧化镓的初创公司也出现,例如北京邮电大学的唐为华老师从2011年以来致力于氧化镓材料及器件形成科研成果的产业化平台北京镓族科技;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。


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。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。


重点企业盘点


美国、日本、欧洲、韩国、中国和中国台湾地区都在开发氧化镓晶圆和器件。当美国政府对氧化镓的国家安全影响发出警告时,日本正在引领其商业化。


其中,有三家公司作为氧化镓衬底、晶圆和器件的开发商和制造商脱颖而出,分别是美国的Kyma Technologies和日本的FLOSFIA和Novel Crystal Technology。接下来我们来盘点了解一下这些企业。


1.Kyma Technologies


Kyma Technologies 成立于 1998 年,是从北卡罗来纳州立大学分拆出来的,位于北卡罗来纳州的研究三角区,总部位于罗利。其业务专注于用于特种照明、激光二极管和电力电子的宽带隙半导体。


公司生产氮化镓、氮化铝、氧化镓等各类半导体衬底、外延片及器件、气相沉积等晶体生长系统,同时提供设计、制造等工程服务。值得注意的是,Kyma Technologies 于 2016 年将氧化镓添加到其产品线中。


图源:Twitter


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Kyma Technologies公司的网站以一英寸氧化镓衬底、五种氮化镓和氮化铝晶圆产品以及氮化镓开关为特色。 其中,列出了美国、中国、欧洲、日本、韩国、中国台湾地区和其他地方的销售电子邮件地址。


据了解,其股东包括风险投资基金以及美国国防部。


2.FLOSFIA


FLOSFIA 成立于 2011 年,是京都大学的附属公司,专注于使用自己的雾化学气相沉积 (CVD) 技术制造的氧化镓半导体器件。它声称已经实现了世界上第一个大规模生产氧化镓功率器件,并生产了世界上效率最高(功耗最低)的氧化镓二极管(半导体开关)。


FLOSFIA 将其功率器件商业化后,现在计划开始向汽车行业大批量出货,并将生产外包给日本半导体制造商。


FLOSFIA 的股东包括京都大学创新资本、东京大学 Edge Capital 和其他投资基金以及兄弟工业(电子设备)、安川电机(电机和工业机器人)、三菱重工(电气和工业机械)、电装等日本私营企业 (汽车和工业零部件和设备,以及半导体;DENSO'S 隶属于丰田)和 Fujimi(用于生产半导体和其他电子设备的磨料和其他材料和设备)。


FLOSFIA 和 DENSO 目前正在合作开发“有望减少电动汽车 (EV) 中使用的逆变器的能量损失、成本、尺寸和重量的下一代功率半导体器件”,以“提高 EV 功率控制单元的效率” 。” 其他工业股东可能会为该产品找到自己的用途。


3.Novel Crystal Technology


Novel Crystal Technology 是从日本电子元件、化学品和设备制造商 Tamura Corporation 分拆出来的。田村声称在 2013 年生产了世界上第一个氧化镓晶体管,“为创新的下一代半导体功率器件的实际应用开辟了道路”。


但是第一个这样的晶体管是在前一年由日本国家信息和通信技术研究所 (NICT) 的研究员 Masataka Higashiwaki 开发的。2015年,他们与NICT合作成立Novel Crystal Technology。


Novel Crystal Technology 还与 Taiyo Nippon Sanso、东京农业科技大学和日本新能源与工业技术组织 (NEDO) 合作。


NICT是NEDO实施的“中小企业振兴事业”中的“桥梁研究所”。


2021 年 12 月,经过四年的努力,NEDO 和 Novel Crystal Technology 宣布开发氧化镓二极管,在他们看来,该产品将带来更低价格和更高性能的电力电子设备,并实现更高效和小型化的电力电子设备,例如用于光伏发电、工业用通用逆变器和电源。


据了解,Novel Crystal Technology计划在 2023 年下半年外包制造并开始销售。


Novel Crystal计划2025年起每年生产2万枚100毫米晶圆,到2028年量产效率更高的200毫米晶圆。该公司社长仓又表示,氧化镓比碳化硅更占优势,该公司的自主工艺可将成本降低到三分之一的水平。


Novel Crystal Technology在其网站上展示了用于研发目的的 2 英寸氧化镓晶圆,并在电话采访中提到了 4 英寸晶圆。这些产品销往日本、美国、欧洲、韩国和中国的客户,其中约30%销往国内市场,其余70%销往海外。


用于研发的 2 英寸氧化镓晶片。图源:Novel Crystal


Novel Crystal Technology的股东包括日本公司AGC(玻璃)、Hazama Ando(建筑)、JX Nippon Mining & Metals、ROHM(半导体,包括功率器件)、Shindengen(功率半导体及相关设备)、Torex Semiconductor、Yaskawa Electric、Iwatani Venture资本和田村。


JX Nippon Mining & Metals Corporation 正在投资 Novel Crystal Technology,作为其扩大有助于脱碳的新材料业务的长期计划的一部分。两家公司共同开发氧化镓功率器件的原材料。


Taiyo Nippon Sanso 是日本工业气体及相关工厂和设备的生产商。其新的战略业务包括用于化合物半导体制造、碳纳米管和生物技术的金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 系统。它与NEDO和Novel Crystal合作开发氧化镓外延片的量产系统。


中国台湾硅锭和硅片制造商和销售商 Atecom Technology 也经营氧化镓。在中国大陆,厦门博威先进材料(PAM-XIAMEN)正处于开发该技术的早期阶段。目前而言,美、日在这方面还是领先。


通常情况下,日本在氧化镓的开发中带来了压倒性的公共和私人资源,并可能最大限度地利用其工业潜力。即使在没有美国正式出口管制的情况下,他们也极不可能向中国提供技术机密。


日本这样的投入体量似乎使 Kyma Technologies 处于劣势,但其技术具有可比性,它应该受益于政府支持的美国科技产业复兴。如果有任何参与者应该担心被甩在后面,那就是中国人——这当然是商务部出口管制的重点。






来源:宽禁带联盟,手机中国,半导体产业纵横

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