近日，中科大國家示范性微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)于氧化鎵器件的研究論文（高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測器）成功被大會接收。

中國科學(xué)院院士郝躍表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料的代表。目前，各國的半導(dǎo)體企業(yè)都爭先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。

公開資料顯示，氧化鎵擁有超寬帶隙（4.2-4.9eV）、超高臨界擊穿場強(qiáng)（8MV/cm）、超強(qiáng)透明導(dǎo)電性等優(yōu)異物理性能，導(dǎo)通特性約為碳化硅的10倍，理論擊穿場強(qiáng)約為碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。

據(jù)NCT預(yù)測，到2030年氧化鎵晶圓的市場將達(dá)到約590億日元（約4.2億美元）。有數(shù)據(jù)顯示，到2030年，氧化鎵功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)15億美元。


出道即巔峰

第四代半導(dǎo)體材料有不少“潛力股”，但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學(xué)問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）之后最具市場潛力的材料，很有可能在未來10年左右稱霸市場。

氧化鎵有5種同分異構(gòu)體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定，當(dāng)加熱至1000℃或水熱條件（即濕法）加熱至300℃以上時，其他所有亞穩(wěn)相的異構(gòu)體都會被轉(zhuǎn)換為β相異構(gòu)體。

β相氧化鎵材料是目前半導(dǎo)體界研究最多，也是離應(yīng)用最近的材料，目前產(chǎn)業(yè)化均以β相氧化鎵為主，下文討論內(nèi)容也均指代β相氧化鎵。

β相氧化鎵的熔點(diǎn)為1820 ℃，其粉末呈白色三角形結(jié)晶顆粒，密度為5.95g/cm3，不溶于水。其單晶具有一定的電導(dǎo)率，不易被化學(xué)腐蝕，且機(jī)械強(qiáng)度高，高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，這是傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

氧化鎵天資卓越，材料屬性天生麗質(zhì)，出生就注定能夠成為市場熱捧。它擁有著超寬帶隙（4.2~4.9eV）、超高臨界擊穿場強(qiáng)（8MV/cm）、較短的吸收截止邊及超強(qiáng)的透明導(dǎo)電性等優(yōu)異的物理性能。氧化鎵器件的導(dǎo)通特性幾乎是于碳化硅（SiC）的10倍，理論擊穿場強(qiáng)是碳化硅的3倍多。

不止如此，它的化學(xué)和熱穩(wěn)定性也較為良好，同時能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質(zhì)量、可摻雜的塊狀單晶。

但材料領(lǐng)域從來沒有十全十美，也從來不存在單兵作戰(zhàn)。一方面，氧化鎵的遷移率和導(dǎo)熱率低，不及碳化硅和氮化鎵，可能受到自熱效應(yīng)影響，從而導(dǎo)致設(shè)備性能下降；另一方面，實(shí)現(xiàn)p型摻雜難度較大，難以制造p型半導(dǎo)體，成為實(shí)現(xiàn)高性能器件的主要障礙。

好在研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度由室溫升高至250℃時，氧化鎵制造的器件性能不會出現(xiàn)明顯的衰退，實(shí)際應(yīng)用中很少會超過250℃，并且氧化鎵器件可以非常小、非常薄，所以即使熱導(dǎo)率低，也可以非常有效地進(jìn)行熱管理。同時，業(yè)界已設(shè)計(jì)多樣的器件構(gòu)型，有效規(guī)避了p型參雜困難的問題，實(shí)現(xiàn)了良好的器件性能。

雖然這兩個缺陷可以避免，但實(shí)際應(yīng)用中仍需進(jìn)一步探討。

使用氧化鎵制作的半導(dǎo)體器件可以實(shí)現(xiàn)更耐高壓、更小體積、更低損耗，因此它在光電探測、功率器件、射頻器件、氣敏傳感、光催化、信息存儲和太陽能利用等都有潛在應(yīng)用價值。目前為止，日盲紫外光電探測器件和功率器件（SBD、MOSFET）是氧化鎵商業(yè)化趨勢明朗的兩個領(lǐng)域。

百家爭鳴，恐落人后

日本企業(yè)Novell Crystal Technology作為氧化鎵晶體研發(fā)領(lǐng)域的先驅(qū)，是世界上最早能夠量產(chǎn)氧化鎵基礎(chǔ)材料（單晶和外延）及器件的企業(yè)，正在聯(lián)合村田制作所、三菱電機(jī)、日本電裝和富士電機(jī)等科技巨頭，以及東京農(nóng)工大學(xué)、京都大學(xué)和日本國家信息與通信研究院等科研機(jī)構(gòu)，推動氧化鎵單晶及襯底材料以及下游功率器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

近日，Novell Crystal Technology與佐賀大學(xué)合作攻克了其第二代氧化鎵4英寸外延片中由外延式沉積成膜過程中產(chǎn)生的一種特定粉末所造成的缺陷過多問題。通過改善成膜條件之后，成功制造出了第三代氧化鎵4英寸外延片，缺陷降低到0.7個／c㎡，相較上一代產(chǎn)品，缺陷降至7%左右。

此外，Novell Crystal Technology還完成了300A～500A級的大型氧化鎵肖特基勢壘二極管的原型樣品制作。這將使氧化鎵功率器件能夠真正被廣泛應(yīng)用于電動汽車等需要100A級功率器件的市場中。預(yù)計(jì)到2030年左右，以原油計(jì)算，節(jié)能效果將超過10萬千升/年。

我國也在進(jìn)行氧化鎵的研發(fā)。中國科協(xié)發(fā)布的2021年度“科創(chuàng)中國”系列榜單中，中山大學(xué)王鋼教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的科研成果“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延生長技術(shù)及核心裝備”榮登“先導(dǎo)技術(shù)榜”。王鋼教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的設(shè)備通過獨(dú)特的反應(yīng)腔設(shè)計(jì)，解決了氧化鎵薄膜材料異質(zhì)外延生長過程中預(yù)反應(yīng)強(qiáng)等問題，提高了批次的均勻性和良率。同時，采用多層勻氣送氣結(jié)構(gòu)和特種噴射技術(shù)以及加熱控制系統(tǒng)，解決了大容量大尺寸反應(yīng)腔加工制造過程中的焊接組裝問題，有望成為我國新興超寬禁帶功率半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化突破口，推動我國氧化鎵基功率電子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

而在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有全面領(lǐng)先優(yōu)勢的美國，正在從前沿軍事技術(shù)布局的角度大力發(fā)展氧化鎵材料及功率器件。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國海軍實(shí)驗(yàn)室和美國宇航局，積極尋求與美國高校和全球企業(yè)合作，開發(fā)耐更高電壓、尺寸更小、更耐輻照的氧化鎵功率器件。德國萊布尼茨晶體生長研究所、法國圣戈班等全球企業(yè)/科研機(jī)構(gòu)也加入了氧化鎵材料及器件研發(fā)的浪潮中，這種半導(dǎo)體材料可謂是吸引了世界的廣泛關(guān)注。

我國研究氧化鎵的機(jī)構(gòu)和高校較多，也取得了很多研究成果，有望在應(yīng)用場景和需求量逐漸明確之后，進(jìn)行科技成果轉(zhuǎn)移。專家表示，氧化鎵基本尚未產(chǎn)業(yè)化，中國企業(yè)機(jī)會很多，要找準(zhǔn)需求點(diǎn)，利用好現(xiàn)有的科研成果，以取得發(fā)展的優(yōu)勢。


國內(nèi)投融資開始涌動

氧化鎵是未來十年的生意，行業(yè)分析人士表示，預(yù)計(jì)到2030年，全球氧化鎵及功率器件市場規(guī)模將達(dá)到98.6億元。

在產(chǎn)業(yè)化方面，國內(nèi)剛剛起步，但很多投資基金已經(jīng)開始關(guān)注到氧化鎵的未來，尋求相關(guān)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，推動國內(nèi)氧化鎵發(fā)展。北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)、北京銘鎵半導(dǎo)體、深圳進(jìn)化半導(dǎo)體是目前在投融資市場較為活躍的四家公司——

北京鎵族科技是國內(nèi)入局比較早的一家公司，注冊成立于2017年年底，是國內(nèi)首家、國際第二家專業(yè)從事氧化鎵半導(dǎo)體材料開發(fā)及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的高科技公司，是北京郵電大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)科研成果轉(zhuǎn)化形成公司；

杭州富加鎵業(yè)科技有限公司成立于2019年12月，是由中國科學(xué)院上海光機(jī)所與杭州市富陽區(qū)政府共建的硬科技產(chǎn)業(yè)化平臺——杭州光機(jī)所孵化的科技型企業(yè)；

北京銘鎵半導(dǎo)體是可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)級氧化鎵半導(dǎo)體晶片小批量供貨的中國廠家，這家公司已開始布局“氧化鎵”材料產(chǎn)業(yè)全鏈路；

深圳進(jìn)化半導(dǎo)體則稱預(yù)計(jì)在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)2英寸β相的單晶襯底的小批量生產(chǎn)和銷售，目前已有潛在客戶表達(dá)了聯(lián)合測試意愿。

據(jù)《中國電子報》預(yù)測，輻射探測傳感器芯片和功率校正、逆變、高功率和超大功率芯片是氧化鎵兩個主要方向，尤其是在超寬禁帶系統(tǒng)可用功率和電壓范圍方面會發(fā)揮重要作用，包括電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器、電動汽車和光伏太陽能系統(tǒng)等有利應(yīng)用場景。

進(jìn)化半導(dǎo)體公司CEO許照原在36氪訪談中表示，碳化硅用了40年時間發(fā)展，氧化鎵則僅用了10年，踩著碳化硅腳印前進(jìn)的氧化鎵很有可能有類似的發(fā)展行徑：先在市場門檻較低的快充和工業(yè)電源領(lǐng)域落地，后在汽車領(lǐng)域爆發(fā)。

氧化鎵在十年內(nèi)已取得重大進(jìn)展，眼看離產(chǎn)業(yè)只差一步之遙，但針對材料制備和相關(guān)性質(zhì)研究仍然不夠系統(tǒng)和深入，若想統(tǒng)治未來，掌握現(xiàn)在這十年是關(guān)鍵。

超越氮化鎵，未來可期

雖然仍處于研發(fā)階段，但氧化鎵應(yīng)用前景已經(jīng)被多領(lǐng)域廣泛看好。

李成明指出，以氧化鎵為基礎(chǔ)材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導(dǎo)通電阻，從而擁有更低的導(dǎo)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。而在日盲紫外探測方面，氧化鎵具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以利用這點(diǎn)制作光電子器件。如制作對紫外區(qū)域、波長短、禁帶寬等有需求的日盲光電器件。

芯謀研究高級分析師張彬磊向《中國電子報》記者表示，氧化鎵作為一種新興的超寬帶隙導(dǎo)體，擁有4.9~5.3eV的超大帶隙（SiC和GaN的帶隙為3.3eV，硅則僅有1.1eV），讓這種新材料擁有更高的功率特性以及深紫外光電特性，同時這種材料又具有很好的熱穩(wěn)定性，因此有望基于氧化鎵材料開發(fā)出小型化、高效的、耐熱性優(yōu)良的超大功率晶體管。

張彬磊預(yù)測，氧化鎵未來的主要應(yīng)用場景：一是在輻射探測領(lǐng)域的傳感器芯片，另一個將會是在大功率和超大功率芯片方面。

池憲念則認(rèn)為，氧化鎵在超寬禁帶系統(tǒng)可用的功率和電壓范圍方面會發(fā)揮重要作用。所以，電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器、電動汽車和光伏太陽能系統(tǒng)等將是氧化鎵的有利應(yīng)用場景。

目前，市場對于氧化鎵的渴望愈發(fā)強(qiáng)烈，NCT預(yù)測氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴(kuò)大到約590億日元（約合4.7億美元）規(guī)模，而從市場調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)對寬禁帶功率半導(dǎo)體元件的全球市場預(yù)測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達(dá)到1542億日元（約合12.2億美元），這個市場規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（約合8.6億美元）還要大。

“實(shí)際上半導(dǎo)體新材料未來市場規(guī)模的預(yù)測必然取決于它的制造成本快速降低，氧化鎵的晶圓制備思路已經(jīng)回歸到單晶硅的制備體系軌道，再加上為了適應(yīng)新材料半導(dǎo)體架構(gòu)的適配設(shè)計(jì)，氧化鎵晶圓的市場將超出我們的想象?！崩畛擅鞅硎尽?/span>

池憲念則更加大膽地預(yù)測，氧化鎵比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價格方面也比碳化硅等要更為低廉。2030年氧化鎵功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)15億美元。