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一、市场
1. 定义：一代硅→二代砷化镓→三代碳化硅氮化镓→四代氧化镓
一般用禁带宽度来区分半导体代际，不知道禁带是啥的请移步半导体全面分析（一）：两大特性，三大政策，四大分类！
第一代半导体材料以硅为代表，用于计算、存储等
第二代半导体材料以砷化镓GaAs、磷化铟InP为代表，用于通信、光电器件等
第三代半导体材料以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表，用于光电、功率器件等
第四代半导体材料分两个方向，一是超窄禁带以锑化物为代表，主要用于红外探测领域，市场很小本文不作详细介绍；二是超宽禁带以氧化镓为代表，主要用于功率器件
四代半导体将会是最后一代半导体，因为禁带再窄就是导体，禁带再宽就是绝缘体，已经到了半导体的极限，四代半也被称为终极半导体
2. 优势：能耗降低 10 倍、耐高压提升 3 倍、成本降低 5 倍
氧化镓有 5 种同分异构体，其中 β-Ga2O3（β相氧化镓）最为稳定
与三代半代表材料SiC相比，氧化镓能耗降低 10 倍，耐高压提升 3 倍
3. 问题：迁移率低、导热率低、P型半导体
没有十全十美的材料，氧化镓材料的主要问题是三个
一是迁移率低，但目前研究表明这些方面对功率元件的特性不会有太大的影响，因为功率元件的性能很大程度上取决于击穿电场强度，不取决于迁移率
二是导热率低，近年业界已通过封装方式解决了散热问题
三是难以制造P型半导体，现在正在解决，或者采用单极器件
4. 应用：功率器件SBD/MOS等、日盲紫外光电探测
日盲紫外光电探测器件、功率器件（SBD、MOSFET）是氧化镓商业化趋势明朗的两个领域日盲紫外波段（200~280nm）的光线无法透过大气层，会被大气层直接吸收。一旦在大气层中探测到这种光线，那么它要么来源于闪电，要么来源于导弹，要么来源于战斗机，可用于导弹逼近预警、卫星通信、各种环境监测、海上搜救、无人机自动着舰导引、化学生物探测等
功率半导体领域，最早可能会出现在快充和工业电源上，市场门槛比较低，汽车是未来的爆发点，器件SBD、MOS、OBC、逆变器、IGBT等
5. 规模：2030 年百亿市场
日本市场调查公司富士经济预测，2030年氧化镓市场规模 12.2 亿美元
6. 政策：国外严格禁运，中国自力更生
2022年8月12日，美国商务部工业和安全局(BIS)将氧化镓纳入出口管制，我们只能自力更生
二、技术
氧化镓产业链包括衬底、外延、芯片、器件，其中衬底外延占 60%~70% 价值
衬底由半导体单晶材料制造而成的晶圆，在经过切、磨、抛等仔细加工后便是芯片制造的基础材料抛光片，后面详细介绍
外延指的是在抛光后的单晶衬底上生长一层新单晶薄膜的过程，外延片相当于是半导体器件的功能性部分
外延可以是同质外延如氧化镓基氧化镓外延片（GaO on GaO）做功率半导体，也可以是异质外延如氧化镓基氮化镓外延片（GaN on GaO）做光电射频器件
外延薄膜沉积技术包括分子束外延技术（MBE）、分子有机气相沉积（MOCVD）、喷雾化学气相沉积（mist-CVD)、卤化物气相外延沉积技术（HVPE）等
芯片器件工艺一般从几百纳米到几千纳米，难度不大
8.衬底：EFG导模法、无铱法
氧化镓衬底制备方法主要包括焰熔法、提拉法、导模法、光浮区法、布里奇曼法等
焰熔法处于停滞状态
焰熔法通过氢氧焰燃烧产生的高温将落下的材料粉末熔化，熔化的材料滴落在下方的籽晶杆上，逐渐冷却完成晶体的结晶生长过程，优点在于氢氧焰温度能够达到2800℃且不使用坩埚避免杂质污染，但缺点在于氢氧焰的温度梯度大，晶体内部的热应力较大，生长晶体的气孔缺陷明显，现在处于停滞状态
光浮区法困难很大
光浮区法又称悬浮区熔法或垂直区熔法，采用大功率的卤素灯和一系列椭球面镜的光学系统聚焦，使原料棒和单晶籽晶之间产生熔融区，籽晶和料棒沿着相同或相反的方向缓慢旋转，熔融区自上而下或自下而上移动，籽晶在熔融区内不断生长，逐渐完成整个单晶棒的结晶过程，优点在于不采用坩埚，加热温度不受坩埚熔点的限制，因此能够生长熔点极高的晶体材料，但使用的光学系统很难形成较大的熔融区，导致其难以生长大尺寸的单晶，同时光浮区法对光学系统和机械传动装置的要求严格
布里奇曼法难以实现大尺寸
布里奇曼法分为水平布里奇曼法和垂直布里奇曼法，将晶体生长原料装入坩埚，然后将坩埚置入具有单向温度梯度的生长炉内进行晶体生长。优点在于采用全封闭或半封闭的坩埚，能够防止原料成分受外界杂质的影响，提高晶体的生长质量，可以有效控制原料的熔融挥发现象，有利于生长挥发性物质的晶体，但受贵金属坩埚尺寸的限制，难以实现大尺寸晶体的生长
EFG 导模法日本NCT率先量产，但成本极高
导模法（Edge-defined film-fed growth method）将内部留有毛细管狭缝的耐熔金属模具浸入单晶炉的熔体中，熔体通过毛细作用下被吸引到模具上表面，熔体在表面张力的作用下形成一层薄膜并向四周扩散，放下籽晶使其与熔体薄膜接触，控制模具顶部的温度梯度，使籽晶端面结晶出与籽晶相同结构的单晶，然后通过提拉机构不断向上提升籽晶，籽晶经过放肩和等径生长完成整个单晶的制备，优点是工艺已经跑通，缺点是需要在1800℃左右的高温含氧环境下进行晶体生长，需要耐高温耐氧不污染晶体的材料贵金属铱，铱价格是黄金的三倍，6英寸设备坩埚造价就超过600万，日本NCT采用EFG法供应了全球几乎100%的氧化镓衬底
无铱法潜力很大
提拉法将原料放入单晶炉的铱金坩埚中加热熔化，精确控制炉内的温度分布，使熔体和籽晶产生一定的温度梯度，然后将晶杆上的籽晶浸入熔体，以合适的速度提拉并转动晶杆，处于过冷状态的熔体逐渐结晶于籽晶上，随着晶杆的旋转和提拉，晶体的分子或原子在籽晶和熔体交界上不断进行重新排列，逐渐生长出圆柱状晶棒，优点是可大批量低成本生产大尺寸晶圆，缺点是工艺尚未跑通，日本东北大学C&A、中国进化半导体正在专注开发
三、产业
9. 产业化核心要素：成本、产业链、示范应用
氧化镓要产业化 ，需要具备至少3个要素：一是材料成本降低，足以用于产业二是衬底、外延、器件产业链发展完善三是出现示范性应用，就像特斯拉Model 3引领SiC、小米快充电头GaN一样
10. 全球：日本NCT、Flosfia、C&A
美国、日本、欧洲、韩国、中国台湾和中国正在开发氧化镓晶圆和器件，日本较为领先。2012年日本NCT实现2英吋氧化镓晶体和外延；2014年日本NCT实现2英吋氧化镓批量产业化；2017年日本FLOSFIA实现低成本亚稳态氧化镓（α相）材料的突破；2018年日本NCT实现了4英吋氧化镓材料的突破，日本FLOSFIA实现了α相氧化镓外延材料的批量化生产等日本NCT：全球龙头2015 年 NICT 和村田成立 Novel Crystal Technology，简称 NCT，2021年营收超过1亿美金，其中中国超过 1 亿元
日本FLOSFIA：最快上车2011 年成立，三菱、丰田电装联合投资，拟2023年上车
日本C&A：无铱法2022年成立，源自日本东北大学，采用无铱法制造出的氧化镓结晶的大小约为 5 厘米
11. 中国：铭镓、进化
2000 年上海光机所开始研究，2014年中科院/山东大学/中电科启动衬底研发，2016年中电科46所首个2英寸，2018年首个4英寸，2022 年科技部将氧化镓列入“十四五重点研发计划”
企业包括北京镓族、铭镓、镓和、镓创、富加、进化、镓仁等
铭镓：导模法龙头
2020年成立，已完成 4 英寸衬底生长，布局氧化镓全产业链，是国内导模法龙头
进化：无铱法龙头
2021年成立，采用无铱法生长衬底，布局氧化镓全产业链，是国内无铱法龙头
12. 产业化：2025 年衬底外延，2030 年器件应用
我们认为，2025 年前后四代半导体能实现衬底外延产业化，2030 年前后打通产业链上下游实现规模化应用
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