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近兩年來，氧化鎵作為一種“超寬禁帶半導體”材料，得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導體也屬于“第四代半導體”，與第三代半導體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比，氧化鎵的禁帶寬度達到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。并且，在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積，進一步降低成本。

所以，雖然第一、二、三、四代半導體材料各有利弊，在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，但不可否認的是，中國在第一、二乃至如今的第三代半導體的發(fā)展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業(yè)占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面，中國與世界領(lǐng)先水平之間都存在著明顯的差距。

國內(nèi)可能并且走在世界前沿的半導體材料或者能讓中國在半導體行業(yè)實現(xiàn)彎道超車并以此為契機助力中國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的機會應(yīng)該是對新型材料的研究與開拓，比如應(yīng)用場景廣泛、波及行業(yè)眾多、產(chǎn)業(yè)占位靠前的在功率、射頻等方面可以大放異彩的氧化鎵材料；其具備制備成本較低、相對環(huán)保、性價比更高、材料屬性優(yōu)勢明顯、工藝制造精妙但成本相對較低優(yōu)勢等特點。

目前，國內(nèi)對于新型材料的研究仍處于開拓期，但也不乏如今有很多企業(yè)、高校或是一些研究院仍在這個方向不懈努力著。所以，應(yīng)一高校研究生朋友的渴求，本章節(jié)主要跟大家分享的是：第四代半導體材料——氧化鎵的材料屬性優(yōu)勢、制備工藝流程和具體應(yīng)用場景等等進行介紹。

一、氧化鎵材料的概述

大家都知道：第一代半導體指硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導體材料；第二代半導體指砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等具有較高遷移率的半導體材料；第三代半導體指碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導體材料；第四代半導體指氧化鎵、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等超寬禁帶半導體材料，以及銻化鎵(GaSb)、銻化銦(InSb)等超窄禁帶半導體材料。

第四代超寬禁帶材料在應(yīng)用方面與第三代半導體材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的應(yīng)用優(yōu)勢。第四代超窄禁帶材料的電子容易被激發(fā)躍遷、遷移率高，主要應(yīng)用于紅外探測、激光器等領(lǐng)域。第四代半導體全部在我國科技部的“戰(zhàn)略性電子材料”名單中，很多規(guī)格國外禁運、國內(nèi)也禁止出口，是全球半導體技術(shù)爭搶的高地。第四代半導體核心難點在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價值。

氧化鎵，中文別名：三氧化二鎵，英文名稱：Gallium(III) oxide，其分子式為：Ga2O3，屬于一種單晶材料，是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導體材料，因以β-Ga2O3單晶為基礎(chǔ)材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導通電阻，從而擁有更低的導通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率，在功率電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。

同時，氧化鎵（Ga2O3）其實還是一種來自日本的新型半導體晶體材料，可以廉價地生產(chǎn)高質(zhì)量、大型單晶基板，有望成為下一代功率器件材料，其潛力超過氮化鎵和碳化硅；氧化鎵（Ga2O3）由于低成本及與GaN的低失配的特性，可用于GaN材料的外延襯底。另外，氧化鎵（Ga2O3）還具有4.9eV的極寬帶隙，超過了SiC和GaN顯示的3.3eV，此特性使其制作的器件比由禁帶較窄材料組成的器件更薄、更輕，并且能應(yīng)對更高的功率，寬禁帶允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻器件系統(tǒng)的需求，這種差異使氧化鎵（Ga2O3）能夠承受比硅、SiC和GaN更大的電場，而不會被擊穿。

二、氧化鎵(Ga2O3)材料的性能

氧化鎵(Ga2O3)作為一種“超寬禁帶半導體”材料破圈，得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導體也屬于“第四代半導體”，與第三代半導體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比，氧化鎵的禁帶寬度達到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。

三、氧化鎵(Ga2O3)材料的晶體結(jié)構(gòu)及制備方法

氧化鎵（Ga2O3）擁有五種不同的晶相，即α、β、γ、δ和ε，這些晶相在特定條件下能夠相互轉(zhuǎn)化。在這五種晶相中，β-Ga2O3在常溫常壓下表現(xiàn)最為穩(wěn)定，是主要的存在形式，而其他晶相則被視為亞穩(wěn)相。通過調(diào)整溫度條件，這些亞穩(wěn)相可以轉(zhuǎn)化為β-Ga2O3，且此過程在一定條件下可逆，但通常需要施加高壓來實現(xiàn)。例如，在4.4 GPa和1000℃的極端條件下，β-Ga2O3會轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)相的α-Ga2O3。β-Ga2O3屬于單斜晶系，具有C2/m空間群，其晶格常數(shù)分別為a=(1.2323±0.002)nm、b=(0.304±0.001)nm和c=(0.580±0.001)nm。在其晶胞結(jié)構(gòu)中，氧原子占據(jù)三個不同的位置（O1、O、Om），而鎵原子則占據(jù)兩個位置（GaⅠ和GaⅡ），形成扭曲的四面體結(jié)構(gòu)（GaⅠ）和高度扭曲的八面體結(jié)構(gòu)（GaⅡ）。這種結(jié)構(gòu)特點，特別是四面體結(jié)構(gòu)的共角和八面體結(jié)構(gòu)的共邊，為自由電子的移動提供了便利，是氧化鎵(Ga2O3)導電性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

目前，氧化鎵(Ga2O3)的制備方法豐富多樣，包括提拉法、導模法、火焰法、光學浮區(qū)法以及薄膜制備技術(shù)等。其中，薄膜制備技術(shù)如分子束外延（MBE）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和脈沖激光沉積（PLD）等因其工藝靈活、簡便且可重復性高而成為研究熱點。

四、氧化鎵(Ga2O3)的材料特性

器件功能是由器件材料屬性、結(jié)構(gòu)共同決定的，器件的材料屬性是決定器件功能優(yōu)劣的關(guān)鍵，直接談器件材料屬性大家可能會覺得空洞不知所以，所以我先介紹功率半導體的功能，以此引出實現(xiàn)此功能何種屬性能較好的被使用。

功率半導體器件應(yīng)用需要考慮大功率電路應(yīng)用的特性，如絕緣、大電流能力等，在實際應(yīng)用中，以動態(tài)的“開”和“關(guān)”為運行特征，一般不運行在放大狀態(tài)。

由功率半導體器件構(gòu)成的電力電子變換器實施的是電磁能量轉(zhuǎn)換，而不是單純的開/關(guān)狀態(tài)，它的非理想應(yīng)用特性在電力電子變換器中起著舉足輕重的作用。要用好功率半導體器件，既要熟悉電力電子變換器的拓撲，更要充分掌握器件本身的特性，第一、二、三、四代半導體都有可以作為功率半導體的材料，但是不同的材料屬性直接決定著器件的性能、價格、體積等等。下表為幾種材料的屬性對比：

以上是材料屬性的基礎(chǔ)對比，對于更深層面的功率器件的表皮晶圓需要特征：

1、表皮表面的平坦度

2、低載流子濃度區(qū)域的濃度控制

氧化鎵(Ga2O3)的這方面特性，被日本Novel Crystal Technology研究人員經(jīng)過實驗進行了定性，其使用臭氧MBE方法作為表皮沉積方法，晶體平面方位，摻雜劑優(yōu)化了種子、生長溫度、原料供應(yīng)量等生長參數(shù)。例如，下圖顯示了表面平整度與生長溫度之間的關(guān)系，以及載體濃度與摻雜原料電池溫度之間的關(guān)系。

這些允許在1nm或更低的表面粗糙度和1016cm-3的低載波濃度區(qū)域進行控制，以滿足電源器件的表面粗糙度，此項結(jié)果證明，氧化鎵與第一、二代功率半導體材料具有明顯的優(yōu)勢，甚至對比于第三代半導體碳化硅都具有明顯的優(yōu)勢。

但金無足赤，人無完人，物體都是具有雙面性的，氧化鎵(Ga2O3)除了以上所展示出的優(yōu)點，它也存在一些自身的問題。

比如，β相在展現(xiàn)出色的物性參數(shù)的同時，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導熱率低，以及難以制造p型半導體。

不過，目前研究表明這些方面對功率元件的特性不會有太大的影響。之所以說遷移率低不會有太大問題，是因為功率元件的性能很大程度上取決于擊穿電場強度。就β相而言，作為低損失性指標的“巴利加優(yōu)值”與擊穿電場強度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。巴加利優(yōu)值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。

3、不同材料功率器件決定的不同屬性

在電流和電壓方面的要求:Si，SiC，GaN和氧化鎵(Ga2O3)功率電子器件的應(yīng)用（如下圖所示），由于其材質(zhì)的屬性的本質(zhì)區(qū)別，導致這以不同襯底制作出來的功率器件會表現(xiàn)出很大的差異，比如以氧化鎵(Ga2O3)為襯底的功率器件就能在相對成本較低的情況下實現(xiàn)第一、二、三代半導體的功率器件功能，由下圖也可以看出，以氧化鎵(Ga2O3)為襯底制作出來的功率器件在承受更高電壓、電流方面就具有很大的優(yōu)勢，據(jù)統(tǒng)計，如果將中國低效電機改成使用氧化鎵(Ga2O3)等高功率半導體材料的高效電機，每年可節(jié)約900+億度電，實現(xiàn)450+億元（RMB）的節(jié)電效益，形成500+億元（RMB）的增加值，可以有效的助力碳中和、碳達峰的國家政策。

4、主要分類

導電型（氧化鎵(Ga2O3)同質(zhì)外延）、半絕緣型（同質(zhì)外延）、高純型（同質(zhì)外延）分別在肖特基二極管、場效應(yīng)晶體管、傳感器和光電襯底的應(yīng)用方向，主要應(yīng)對下游市場為新能源汽車、家電、工業(yè)變頻、光伏、電焊機、工業(yè)變頻、高鐵、智能電網(wǎng)、工業(yè)電機、國防軍工，發(fā)光二極管、電網(wǎng)安全檢測、國防軍工、森林消防、智慧高速、智慧家居等；

氧化鎵(Ga2O3)/氮化鎵（異質(zhì)外延）、氧化鎵(Ga2O3)/藍寶石（異質(zhì)外延）分別在射頻器件、傳感器件的應(yīng)用主要應(yīng)對下游市場通信基站裝置、發(fā)光二極管、電網(wǎng)安全檢測、國防軍工、森林消防、智慧高速、智慧家居、氣敏傳感安全檢測等等，應(yīng)用場景廣泛、受眾群體眾多。

通過以上的功率半導體功能的介紹，我們再回到介紹氧化鎵(Ga2O3)材料的性質(zhì)，主要在以下兩方面尤為突出：

（1）超寬禁帶，在超高低溫、強輻射等極端環(huán)境下性能穩(wěn)定，并且對應(yīng)深紫外吸收光譜，在日盲紫外探測器有應(yīng)用。

（2）高擊穿場強、高Baliga值，對應(yīng)耐壓高、損耗低，是高壓高功率器件不可替代的明星材料。

五、氧化鎵(Ga2O3)材料的制備工藝

高質(zhì)量單晶材料的制備是后期有效應(yīng)應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提，新型材料氧化鎵(Ga2O3)的制備工藝具有復雜但成本可控、精妙但工藝成熟等特點，為防止文章過于空洞，特以同為新型材料的碳化硅生產(chǎn)為對比，你們能有一個清楚的參照物做對比，不至于理解起來過于空洞，至于成本如何可控、工藝如何，讀者可在以下對比中可窺得一二。

1、制備工藝的方法對比

（1）碳化硅制備主流方法：PVT

PVT法通過感應(yīng)加熱的方式在密閉生長腔室內(nèi)在2300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過固—氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。

以上碳化硅單晶制備的整個固—氣—固反應(yīng)過程都處于一個完整且密閉的生長腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個參數(shù)相互耦合，任意生長條件的波動都會導致整個單晶生長系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長的穩(wěn)定性；此外，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式，從而形成200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低。

因此，在PVT單晶生長系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，導致目標晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴重質(zhì)量問題。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項缺陷。

（2）氧化鎵(Ga2O3)制備主流方法：熔體法

按β-Ga2O3照晶體生長過程中原料狀態(tài)的不同，可以將晶體生長方法分為：溶液法、熔體法、氣相法、固相法等。

熔體法是研究最早也是應(yīng)用最為廣泛的晶體生長方法，也是目前生長β-Ga2O3體塊單晶常用的方法。同時，也是因為熔體法是生長半導體材料最理想的方式，它有以下幾個優(yōu)勢：

a、尺寸大：小籽晶能夠長出大晶體；

b、產(chǎn)量高：每爐晶錠可切出上千片襯底；

c、品質(zhì)好：位錯可趨于0，晶體品質(zhì)很好；

d、長速快：每小時能夠長幾厘米，比氣相法快得多。

所以，通過熔體法可以生長高質(zhì)量、低成本的β-Ga2O3體塊單晶，其中最為常用的生長方法主要有兩種：直拉法和導模法。而由于氧化鎵(Ga2O3)的長晶工藝在使用直拉法時原料揮發(fā)較多，氧化鎵(Ga2O3)的長晶工藝從直拉法逐步演變?yōu)橛秀炆w和模具的導模法，兩種方法均需使用銥坩堝，目前導模法已成為主流的氧化鎵長晶方法。在這里，既然講到了“銥”，我就跟大家多分享一些關(guān)于“有銥法”和“無銥法”成本對比的相關(guān)知識：

a、有銥法

美國國家可再生能源實驗室（NREL）預(yù)測，在無額外晶圓制造工藝優(yōu)化的情況下，有銥法長6寸氧化鎵(Ga2O3)的成本為283美金（≈2000元人民幣），采用各種節(jié)約成本的措施后，能夠降到195美金。其中，銥坩堝及其損耗占據(jù)過半。

b、無銥法

日本C&A公司報導了2寸無銥法的成果，宣稱成本能夠大幅下降至導模法的1/100。

所以，由于銥坩堝的成本和損耗太高，生長幾十爐后就會被腐蝕損耗，需要重新熔煉加工，且長晶過程中，銥會形成雜質(zhì)進入晶體，產(chǎn)業(yè)界有很強的無銥法開發(fā)需求。

2022年4月，日本經(jīng)濟新聞網(wǎng)發(fā)布了一則消息，日本C&A公司采用一種銅坩堝的直拉法生長出2寸氧化鎵單晶，能夠?qū)⒊杀窘抵翆７ǖ?/100。

氧化鎵(Ga2O3)生長的工藝流程從原料在坩堝中熔化和拉晶開始，之后經(jīng)過切、磨、拋的工序，形成氧化鎵(Ga2O3)單晶襯底。再經(jīng)過外延工藝，得到同質(zhì)外延或異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，最終加工為氧化鎵(Ga2O3)晶圓。

下文以導模法為例介紹，導模法（Edge-defined film-fed growth method）是一種重要的晶體生長方法，具有近尺寸生長、異形晶體生長、生長速度快、生長成本低等優(yōu)點，是傳統(tǒng)提拉法（Czochralski method）的一種延伸和補充，實際操作中可以將傳統(tǒng)提拉法晶體生長爐改造后使用，常用于閃爍晶體材料、半導體晶體材料的生長。

導模法需要在坩堝中放置模具，晶體生長界面位于模具上表面。由于射頻線圈高頻電流的作用，使銥坩堝產(chǎn)生渦流而產(chǎn)生熱量。

高溫下，坩堝中的氧化鎵(Ga2O3)原料變成熔體，由于表面張力和浸潤作用，熔體沿模具中的毛細管上升到模具上表面。

預(yù)先在籽晶桿上安放一枚籽晶，讓籽晶下降至接觸模具上的熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉籽晶桿，使熔體在籽晶的誘導下結(jié)晶于籽晶上，最終生長出特定形狀的大塊單晶體。

所以，簡單來說，氧化鎵(Ga2O3)用液相的熔體法生長，位錯（每平方厘米的缺陷個數(shù)）＜102cm-2，而SiC用氣相法生長，位錯個數(shù)約105cm-2，這就是明顯的優(yōu)勢區(qū)別。

2、具體步驟與流程圖

（1）碳化硅材料制備流程

第一步：原料生成

將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在2,000℃以上的高溫條件下，于反應(yīng)腔室內(nèi)通過特定反應(yīng)工藝，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學計量比反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。

再經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料。

第二步：晶體生長

在2300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結(jié)晶位置；

第三步：晶錠加工

將碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進行定向，之后通過精密機械加工的方式磨平、滾圓，加工成標準直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒。對所有成型晶棒進行尺寸、角度等指標檢測。

第四步：晶棒切割

在考慮后續(xù)加工余量的前提下，使用金剛石細線將碳化硅晶棒切割成滿足客戶需求的不同厚度的切割，并使用全自動測試設(shè)備進行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）、厚度變化（TTV）等面型檢測。

第五步：切割片研磨

通過自有工藝配方的研磨液將切割片減薄到相應(yīng)的厚度，并且消除表面的線痕及損傷。使用全自動測試設(shè)備及非接觸電阻率測試儀對全部切割片進行面型及電學性能檢測。

第六步：研磨片拋光

通過配比好的拋光液對研磨片進行機械拋光和化學拋光，用來消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應(yīng)力等，使研磨片表面達到納米級平整度。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設(shè)備，檢測碳化硅拋光片的各項參數(shù)指標，據(jù)此判定拋光片的質(zhì)量等級。

第七步：拋光片清洗

在百級超凈間內(nèi)，通過特定配比的化學試劑及去離子水對清洗機內(nèi)的拋光片進行清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒、金屬離子、有機沾污物等，甩干封裝在潔凈片盒內(nèi)，形成可供客戶開盒即用的碳化硅襯底。

（2）氧化鎵(Ga2O3)材料制備流程

與碳化硅半導體材料制備步驟類似，氧化鎵(Ga2O3)晶體襯底片加工包括退火、定向、切割、貼片、減薄、研磨、拋光和清洗，工藝流程如下圖所示：

所以，我們不難看出：氧化鎵(Ga2O3)的硬度比硅還軟，因此加工難度較小，而碳化硅硬度高，加工成本極高。

3、制備難易對比

方法并無絕對的好壞優(yōu)劣之分，只是適用情況、工藝繁簡有別，不管何種工藝也無論工藝是否過時，它都承載著研究人員的心血與付出，在一定程度上都是科技發(fā)展的具體載體，接下來的對比只是為了說明氧化鎵(Ga2O3)的制備成本可控，并無定性的指明孰優(yōu)孰劣的意思。

氧化鎵(Ga2O3)成本可控可以體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，相較于碳化硅必須實現(xiàn)2,300℃以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體才能進一步生產(chǎn)，氧化鎵(Ga2O3)的導模法的實現(xiàn)條件就相對要求低了很多，其溫度要求低，而且不用使原料粉末升華成氣體相對條件要求較低；

第二，相較于200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低的情況，氧化鎵(Ga2O3)的同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶體類型少了很多只有幾種，這對于制備的可控性來說大大降低了難度，這也是為什么氧化鎵(Ga2O3)的成本低于碳化硅的重要原因；

第三，相較于碳化硅制備的石墨坩堝等一次性損耗品來講，氧化鎵(Ga2O3)的坩堝雖然購置費用昂貴，但是可以實現(xiàn)循環(huán)利用，其平攤到每一次的制備成本當中是遠低于碳化硅的制備成本的，這又是氧化鎵(Ga2O3)成本低于碳化硅的一大原因。

因此，一方面：氧化鎵(Ga2O3)采用了液相的熔體法生長，每小時長10~30mm，每爐2天，而碳化硅用氣相法生長，每小時長0.1~0.3mm，每爐7天。而另一方面：氧化鎵(Ga2O3)的晶圓線與Si、GaN以及SiC的晶圓線相似度很高，轉(zhuǎn)換的成本較低，有利于加速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進度。從日本經(jīng)濟新聞網(wǎng)報道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量產(chǎn)以新一代功率半導體材料氧化鎵(Ga2O3)制成的100毫米晶圓，客戶企業(yè)可以用支持100毫米晶圓的現(xiàn)有設(shè)備制造新一代產(chǎn)品，有效運用過去投資的老設(shè)備。”來看，氧化鎵(Ga2O3)不像SiC需要特殊設(shè)備而必須新建產(chǎn)線，潛在可轉(zhuǎn)換的產(chǎn)能已非常巨大。

4、相對環(huán)保

眾所周知，在國家加強生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達峰的大環(huán)境下，材料制備無污染是一個比較值得關(guān)注的問題，氧化鎵(Ga2O3)相對比與第一二代半導體甚至是第三代是更環(huán)保的材料，比如硅基制造中多個環(huán)節(jié)涉及環(huán)境污染，生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生一定量的廢水、廢氣、固廢和噪音；碳化硅襯底材料生產(chǎn)雖屬于重污染行業(yè)，但污染物廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣凈化廢水、倒角清洗廢水、研磨清洗廢水、機械拋光清洗廢水、生活污水等）、一般固廢（主要包括提純雜質(zhì)、加工下腳料、生活垃圾等）、危險廢物（主要包括廢研磨液、廢切削液、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣、有機廢氣等）、噪聲等也存在，氧化鎵(Ga2O3)在這方面比第一二三代具備更環(huán)保的特點。

六、氧化鎵(Ga2O3)材料缺點的研究

1、解決導熱率低的問題

盡管氧化鎵(Ga2O3)存在熱量方面的挑戰(zhàn)，但氧化鎵(Ga2O3)的散熱是工程可以解決的問題，并不構(gòu)成產(chǎn)業(yè)化障礙。如下圖所示，美國弗吉尼亞理工大學通過雙面銀燒結(jié)的封裝方式解決散熱問題，能夠?qū)ё咝ぬ鼗Y(jié)處產(chǎn)生的熱量，在結(jié)處的熱阻為0.5K/W，底處1.43，瞬態(tài)時可以通過高達70A的浪涌電流。

2、解決P型摻雜

氧化鎵(Ga2O3)能帶結(jié)構(gòu)的價帶無法有效進行空穴傳導，因此難以制造P型半導體。近期斯坦福、復旦等團隊已在實驗室實現(xiàn)了氧化鎵(Ga2O3)P型器件，預(yù)計將逐步導入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如下圖所示，斯坦福大學在2022年8月發(fā)表了實驗室實現(xiàn)氧化鎵(Ga2O3)P型垂直結(jié)構(gòu)的成果，以Mg-SOG鎂擴散的方式，形成PN結(jié)，開啟電壓為7V，開關(guān)速度109。

七、氧化鎵(Ga2O3)材料的當前現(xiàn)狀

當前該領(lǐng)域的研究，尤其以日本在氧化鎵(Ga2O3)方面的發(fā)展最為領(lǐng)先。

早在2012年，日本Novel Crystal Technology（下簡稱“NCT”）公司就實現(xiàn)了2英吋氧化鎵(Ga2O3)晶體和外延的突破；2014年，日本NCT實現(xiàn)2英吋氧化鎵(Ga2O3)材料的批量產(chǎn)業(yè)化；2017年，日本FLOSFIA實現(xiàn)了低成本亞穩(wěn)態(tài)氧化鎵(Ga2O3)（α相）材料的突破；2018年，日本NCT實現(xiàn)了4英吋氧化鎵(Ga2O3)材料的突破，日本FLOSFIA實現(xiàn)了α相氧化鎵(Ga2O3)外延材料的批量化生產(chǎn)，2019年日本田村實現(xiàn)4英吋氧化鎵(Ga2O3)的批量產(chǎn)業(yè)化等等。在這個發(fā)展過程中，日本氧化鎵(Ga2O3)產(chǎn)業(yè)也涌現(xiàn)出了幾個產(chǎn)業(yè)明星。

當中尤其以NCT和FLOSFIA最為亮眼。

資料顯示，日本功率元件方向的氧化鎵(Ga2O3)研發(fā)始于日本國立信息通信技術(shù)研究所的東脅正高先生、京都大學的藤田靜雄教授、田村（Tamura）制作所的倉又朗人先生。國外主要研究機構(gòu)如下圖：

八、氧化鎵(Ga2O3)材料的產(chǎn)業(yè)鏈情況

氧化鎵(Ga2O3)襯底和外延環(huán)節(jié)位于功率器件的產(chǎn)業(yè)鏈上游。類比碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，價值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)：1顆碳化硅器件的成本中，47%來自襯底，23%來自外延，襯底+外延共占70%。

隨著氧化鎵(Ga2O3)的成本進一步降低，襯底占比會比SiC小得多。

九、氧化鎵(Ga2O3)材料的應(yīng)用領(lǐng)域

為何說氧化鎵(Ga2O3)會成為引領(lǐng)中國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的一“鎵”馬車，通過以上介紹，相信你們應(yīng)該可以得出其成本可控、應(yīng)用場景廣泛、受眾群體眾多、相對環(huán)保等特點。

文章接下來分享其廣泛的應(yīng)用場景，其中值得說明的是由于文章作者資料以及認知的有限性，雖然介紹了諸多的應(yīng)用場景但是不可否認的是對于這種新型材料的認識以及場景的應(yīng)用作者是完全概括不全的，在諸多領(lǐng)域作者存在介紹不全、介紹不充分的情況，望知悉！

1、在光電、電力電子器件方面的應(yīng)用

綜合在光電、電力電子器件應(yīng)用圖如下：

2、在大功率器件方面的應(yīng)用

因為氧化鎵(Ga2O3)的四大機遇：

（1）單極替換雙極

即MOSFET替換IGBT，新能源車及充電樁、特高壓、快充、工業(yè)電源、電機控制等功率市場中，淘汰硅基IGBT已是必然，硅基GaN、SiC、Ga2O3是競爭材料。

（2）更加節(jié)能高效

氧化鎵功率器件能耗低，符合碳中和、碳達峰的戰(zhàn)略。

（3）易大尺寸量產(chǎn)

擴徑、生產(chǎn)簡單，芯片工藝易實現(xiàn)，成本低。

（4）可靠性要求高

材料穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可靠，高品質(zhì)襯底/外延。

同時，氧化鎵(Ga2O3)的目標市場：

（1）長期來說，氧化鎵功率器件覆蓋650V/1200V/1700V/3300V，預(yù)計2025年至2030年全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域，未來也將在超高壓的氧化鎵專屬市場發(fā)揮優(yōu)勢，如高壓電源真空管等應(yīng)用領(lǐng)域。

（2）短期來說，預(yù)計氧化鎵功率器件將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場率先出現(xiàn)，如消費電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域。

所以，氧化鎵(Ga2O3)容易取勝的市場：

（1）新能源車OBC/逆變器/充電樁

（2）DC/DC：12V/5V→48V轉(zhuǎn)換

（3）IGBT的存量市場

氧化鎵(Ga2O3)材料在高低壓配電房、變電站、智慧家居系統(tǒng)、射頻、不間斷電源等等應(yīng)用場景都可以發(fā)揮其作用，其最有希望的應(yīng)用可能是電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器，在功率器件方面的應(yīng)用會是氧化鎵(Ga2O3)大放異彩的重要領(lǐng)域，也是其引領(lǐng)中國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，因為功率器件的市場范圍大，受眾群體多，波及范圍廣，在中國核心制造業(yè)以及精密儀器的核心制造方面會發(fā)揮不可替代的作用。

比如，目前還在用硅基、碳化硅基做襯底材料制作的IGBT、MOS等等。MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進，此類產(chǎn)品在市場上將越來越多見；IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的“CPU”。

3、在射頻器件方面的應(yīng)用

GaN市場需要大尺寸、低成本的襯底，才能真正發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢。

同質(zhì)襯底上生長同質(zhì)外延的外延層品質(zhì)是最好的，但由于GaN襯底價格很高，在LED、消費電子、射頻等領(lǐng)域采用相對廉價的襯底，如Si、藍寶石、SiC襯底，但這些襯底與GaN晶體結(jié)構(gòu)的差異會造成晶格失配，相當于用成本犧牲了外延品質(zhì)。當GaN同質(zhì)外延GaN，才能用在激光器這類要求較高的應(yīng)用場景。

GaN與氧化鎵(Ga2O3)的晶格失配僅2.6%，以氧化鎵(Ga2O3)襯底，異質(zhì)外延生長的GaN品質(zhì)高，且無銥法生長6寸氧化鎵(Ga2O3)的成本接近硅，有望在GaN射頻器件市場得到重要應(yīng)用。

所以，氧化鎵(Ga2O3)在射頻器件的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。SiC半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通訊、雷達等方向，2020年SiC外延GaN射頻器件市場規(guī)模約8.91億美元，2026年將增長至22.22億美元（約人民幣150億元）。

4、在高壓電力電氣系統(tǒng)局部放電檢測上的應(yīng)用

局部放電現(xiàn)象，主要指高壓電力電氣設(shè)備的局部放電。

電力設(shè)備絕緣材料在足夠強的電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電，而沒有貫穿施加電壓的導體之間。局部放電根據(jù)放電強度從弱到強可分為：電暈放電、沿面閃電、閃絡(luò)、電弧放電、火花放電。不同等級的放電會對電氣設(shè)備的絕緣材料造成不同的影響，現(xiàn)代電纜和電纜附件在長期局部放電作用下會其絕緣材料會被慢慢腐蝕直至失效。因此需要對運行中的高壓電力設(shè)備要加強監(jiān)測，當局部放電超過一定程度時，應(yīng)將設(shè)備退出運行，進行檢修或更換。

應(yīng)用氧化鎵(Ga2O3)日盲紫外傳感器開發(fā)日盲紫外探測器只要能探測到局部放電時產(chǎn)生的日盲紫外光光強，這樣便可以利用局部放電產(chǎn)生的光強與探測放電頻率間接評估運行設(shè)備的絕緣狀況和及時發(fā)現(xiàn)絕緣設(shè)備的缺陷。

5、在紫外消毒殺菌檢測方面的應(yīng)用

紫外線殺菌是現(xiàn)今社會上最普遍的消毒方法之一，紫外線消毒主要是用波長253.7nm的C波紫外線來消滅細菌、芽孢、病毒、分支桿菌等微生物，這樣能破壞這些微生物的機體內(nèi)的去氧核糖核酸（即DNA）的結(jié)構(gòu)，讓它們失去繁殖能力或者是死亡，具有廣譜性。采用紫外線輻射計殺菌，完全不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)。

速度快、效率高、操作簡單，便于運行管理和實現(xiàn)自動化運行。

在醫(yī)療行業(yè)、水處理行業(yè)、食品行業(yè)、室內(nèi)空氣凈化等都已有廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用場合主要有：

第一，水的消毒：包括自來水廠，純凈水廠消毒設(shè)備的在線監(jiān)測。

第二，空氣消毒：可以用于家庭房間、病房、實驗室、學校、電影院、公交車、辦公室、家庭等里的空氣消毒監(jiān)測；

第三，食品消毒：食品生成企業(yè)及餐飲業(yè)的紫外線消毒在線監(jiān)測。

十、對于氧化鎵(Ga2O3)材料的總結(jié)與展望

當前從Yole的報道中可以看出，綠色線代表的GaO尺寸以前所未有的斜率快速增長，這得益于其材料可以通過上文提到的液相法進行生長，且已經(jīng)接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。

硅基材料經(jīng)過了80多年的發(fā)展，達到了目前的12寸。

SiC材料的最大尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的美國Cree公司所推出的8英寸襯底樣品，其尚未導入大規(guī)模商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)界剛剛準備規(guī)模化生產(chǎn)基于6英寸襯底的功率器件。

由以上Yole與日本等國外權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測分析走勢以及結(jié)合中國高質(zhì)量經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求來看，氧化鎵(Ga2O3)的市場清晰度以及發(fā)展確定性是毋庸置疑的，而且氧化鎵(Ga2O3)在助力中國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、實現(xiàn)碳中和、碳達峰等領(lǐng)域都與國家的發(fā)展與民族的復興吻合度極高，氧化鎵(Ga2O3)勢必會成為引領(lǐng)中國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的一“鎵”動力十足的馬車！

參考文獻：

1.《β-Ga2O3-N型氧化鎵單晶片規(guī)范》，中華人民共和國電子行業(yè)標準SJ 21444-2018，中電46所

2.《日本新興企業(yè)量產(chǎn)EV半導體，續(xù)航增1成》，日本經(jīng)濟新聞網(wǎng)，2022/08/25

3.《日企要量產(chǎn)氧化鎵晶圓，成本降至1/3》，日本經(jīng)濟新聞網(wǎng)，2022/08/17

4.《日企在全球首次量產(chǎn)100毫米氧化鎵晶圓》，日本經(jīng)濟新聞網(wǎng)，2021/06/16

5.《氧化鎵：寬禁帶半導體新勢力》，中國電子報，2022/04/22

6.日本NCT公司：https://www.novelcrystal.co.jp/eng/

7.日本FLOSFIA公司：https://flosfia.com/

8.日本C&A公司：https://www.c-and-a.jp/

9.美國Kyma公司：https://www.kymatech.com/

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審核編輯 黃宇