近日，以“科技自立自强双创驱动发展”为主题的2022“科创中国”年度会议召开。会上，中国科协发布了2021年“科创中国”系列榜单。其中，“先导技术榜”面向生物医药、资源环境、电子信息、装备制造、先进材料、现代农林等六大领域，遴选出了100项具有广阔应用场景、高经济和社会效益的先导技术。

中山大学微电子学院王钢教授领导的研发团队耗费十多年自主研发的“大尺寸氧化镓单晶薄膜异质外延生长技术及核心装备”既是广东省高校唯一入选的项目，也是广州地区唯一入选的项目。王钢团队的这项技术将在中国乃至全球新兴超宽禁带功率半导体材料领域形成产业化突破口，极大地推动中国氧化镓基功率电子器件的发展和产业化进程。

本次研究成果登上国家级榜单，背后是王钢团队十余年磨一剑的坚韧。“每次推开一道门，都需要经过不断地探索，反复地试错，才能找到下一道门。”王钢对记者感叹道。

为什么是氧化镓？

作为一个被看好的替代者，氧化镓自然有其特点所在。据本土氧化镓初创企业铭镓半导体的创始人陈政委介绍，氧化镓材料主要拥有三大优势：

首先，在功率半导体特性上，其性能数倍于硅基、碳化硅和氮化镓，是制备高功率半导体电力电子器件的优选材料，“相比于其他宽禁带半导体（GaN 和 SiC）材料，其拥有更高的击穿场强（——8 MV/cm），同时，这种材料还有更低的能量损耗、更高的热稳定性和化学稳定性等优势。”陈政委一步指出。

其次，因为氧化镓的材料问题已经得到初步的解决，液相导模法的生长工艺决定其材料成本优势非常明显；第三，氧化镓在深紫外光电器件方向具备天然的性能优势，其物性稳定，几乎不受到外界环境的改变。

据一篇发表在IEEE的文章中得出结论，在对半导体至关重要的五个特性中，稳态单斜型氧化镓（即：β相氧化镓）拥有高临界电场强度，这是其最为明显的优势，有助于打造超高功率的分立型半导体器件。

可以向其添加电荷载流子也是氧化镓的另一个特性。我们也可以使用这种方式，通过一种被称为掺杂的过程提高其导电性更高。这里的掺杂就涉及向晶体中添加受控量的杂质，以控制半导体中电荷载流子的浓度。例如在硅中，您可以使用离子注入，然后进行退火，以便在晶体中掺杂磷（添加自由电子）或硼（减去它们），进而使电荷可以在其中自由移动。同样，在氧化镓上，同样可以用类似的方式添加电子。

但正如陈政委所说，氧化镓虽然有性能优势明显，但也有其明显的短板所在。如：氧化镓的导热系数不高，使用存在器件稳定性的问题；氧化镓本征为N 型半导体材料，对于氧化物而言，解决 P 型掺杂问题相对比较困难。这正是研究者或者产业者把氧化镓看作一种“毁誉参半”材料的原因。

即使如此，业界统一认知，这并不是限制氧化镓研究和产业化的问题，而是逐步需要解决的瓶颈问题，因而还是有很多团队持续投入到这个新技术的研究上。自2012年日本获得2英寸氧化镓材料以来，历经了多年发展，氧化镓材料以及氧化镓基光电及功率器件业已得到初步的验证，正在逐步产业化发展。同时在这个发展过程中，人们还为氧化镓的未来做了更多的设想。

据陈政委介绍，氧化镓在电力电子器件如肖特基二极管和场效应晶体管、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极、信息存储器、气敏传感器、光催化等领域中展现出巨大的应用前景，是一种极具应用潜力的多功能超宽禁带半导体材料。

从0到1 打造半导体制备核心设备

半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成。而晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片。外延则是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层新单晶薄膜的过程。新单晶薄膜可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料。而第三代和第四代半导体器件几乎都做在外延层的单晶薄膜上，这层薄膜的质量、均匀度等参数直接决定着器件的各项电学性能。

“就氧化镓半导体器件来说，主要发挥关键核心电学功能是这层透明氧化镓膜，这个膜只有几微米级（1米的一百万分之一）的厚度。衬体只是起支撑作用，以方便后期对这层薄膜进行加工。”王钢告诉记者。

氧化镓这种材料在自然界根本不存在，需要人工进行合成，氧和镓两种元素的反应需要在接近1000摄氏度的环境下进行。

化学气相沉积（CVD）技术是用来制备高纯、高性能固体薄膜的主要技术。在典型的CVD工艺过程中，把一种或多种蒸汽源原子或分子引入腔室中，在外部能量作用下发生化学反应并在衬底表面形成需要的薄膜。所以化学气相沉积（CVD）设备也就成为半导体器件制造当中的核心设备。

当记者走进宽禁带半导体材料和器件实验室，一代代大型CVD设备映入眼帘。王钢说，这些都是从欧洲国家购买回来的CVD设备。当年谈判之艰辛、耗费之巨大，至今王钢记忆犹新。“2006年我们从英国买回这台长氮化物的机器，为了打折我们谈得很辛苦，但也花了我们将近1000万人民币。”王钢说。

就氧化镓材料而言，目前国际主流的技术路线是在氧化镓单晶衬底上采用HVPE设备同质外延生长β相氧化镓单晶薄膜，但其单晶制备和薄膜生长技术及设备的相关知识产权完全掌握在日本手中。

为了实现氧化镓外延材料及核心装备从0到1的突破，王钢带领团队开始研制大尺寸、高质量氧化镓半导体薄膜材料异质外延生长用MOCVD（金属有机化学气相沉积）设备，同时研发氧化镓单晶薄膜材料的大尺寸异质外延生长工艺技术。

王钢告诉记者，目前氧化镓单晶薄膜材料生长主要面临结晶质量问题。“理想的半导体材料，是由许多原子按照一定规律的周期性排布而形成。但在半导体材料的制备过程中，由于各种原因，原子排布的周期性常常会被打破，材料因此就会出现缺陷。”王钢说，他们的目标就是改进材料生长技术，努力降低材料中的缺陷密度。

大尺寸同样是王钢团队面临的挑战。因为半导体行业不仅身处科研领域，也和应用市场密切关联，对成本和价格非常敏感。对于半导体材料而言，制备的尺寸越大越具有价格优势，同样产生的缺陷也会更多。

“我们去波士顿开学术交流会议时，听到日本专家分享氧化镓的功率电子器件的原型。我认为我们同样有能力完成此事，还能走出不同的技术路径，于是我们回国之后立马着手研究，并以蓝宝石作为衬底进行异质外延尝试。”王钢说，在起初的两年时间里，他们都无法在蓝宝石衬底上长出薄膜材料。这种气闷难受的感觉一直让王钢难以忘怀，他也有过疑虑：这个研究方向是否真的能走向成功？

焦虑迷茫中，王钢团队未曾放弃。依靠长期在氮化物半导体元器件的研究经验，他们在一台用于生产第二代半导体材料的旧式MOCVD设备上进行改造，并且对半导体设备反应腔室进行独特设计。十年来，团队不断调整着工艺、参数和设计方案，在近万次的失败中总结经验。最终他们实现氧化镓单晶薄膜材料外延生长MOCVD设备的自主研制，并且他们采用自主研制的MOCVD设备在蓝宝石、碳化硅及硅等大尺寸异质衬底上生长了结晶质量高，晶向一致性好的4-8英寸的ε相氧化镓单晶薄膜。

多学科融合让“黑盒子”可视化

王钢身上激荡着理想主义的情怀。他告诉记者，他这一辈子的目标是研发出更出色的国产设备，进而长出更加优质的半导体材料。

在这项成果登上科创中国“先导技术榜”之前，网络上基本搜寻不到这项技术的任何信息。“做半导体的人应该用90%的精力去做落地的事情，我们也算是默默在做这件事。有些核心的技术甚至没有拿出去发表论文，所以在公众领域基本上没有知名度。”王钢告诉记者。

在十余年来对氧化镓材料技术的钻研中，王钢说自己又是幸运的，“针对一些非常前沿的技术，在国家尚未推出重点研发计划之前，需要不断有人去熬。其实我非常幸运，可以得到中山大学和光电材料与技术国家重点实验室探索性课题的一些资金的支持，同时仰仗产学研合作伙伴在MOCVD设备制造过程中硬件的投入，探索一些没有完全把握的事情。”王钢说。

即便自主研发的MOCVD设备已是进展喜人，但是王钢团队还在努力让氧化镓MOCVD设备拥有更优质的性能从而走向大规模应用。

一直以来，反应腔室如同黑盒子，工程师无法实时知晓里面发生的化学变化。“我们之前把自己称为手艺人，主要凭着经验，等材料长出来后发现缺陷，我们再回头查看哪些环节出现了问题。”王钢说。

这十多年来，王钢也充分发挥光电材料与技术国家重点实验室多学科融合的优势，用数字建模、数字孪生等技术实现对反应腔的可视化。记者看到，在王钢团队自主研制的MOCVD设备旁边，一台计算机正在呈现模拟反应腔内部反应过程的三维图像，每个粒子的流动轨迹都能清晰可见。

王钢团队充分发挥光电材料与技术国家重点实验室多学科融合的优势，用数字建模、数字孪生等技术实现对反应腔的可视化

“这是一个多物理量的模拟，其中不仅能展现气体的流动，还能反映温度场、压力场的情况。”王钢告诉记者，十余年来的研发形成了成熟的数据库和软件包，他们可以凭此技术实时监控反应过程，并精准地预测薄膜材料的长速和均匀性，如此可缩小开发材料的时间且提高材料的良品率。

“我们有些应用已经超越国际同行。他们没想到的应用，我们也开发出来了。”王钢对记者说道，关键核心技术一定要慢慢熬出来，此次团队去申报“科创中国”先导技术榜，并非在意外界评价。他们希望借此寻得机会将装备落地，为中国第四代半导体材料产业贡献力量。

氧化镓的研发及产业化现状

因为拥有如此多的优势，氧化镓被看作一个比氮化镓拥有更广阔前景的技术。

据市场调查公司--富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1,542亿日元（约人民币92.76亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1,085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大！

在SiC或GaN方面，从产业链分工的角度来看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC衬底→外延→器件→模块垂直供应的体系。而Infineon、Bosch、OnSemi等厂商则购买衬底，随后自行进行外延生长并制作器件及模块。

在氧化镓方面，日本在衬底-外延-器件等方面的研发全球领先。不过研究氧化镓功率元件并进行开发的并不是上述范畴的大中型功率半导体企业，而是初创企业。

1、日本

据日本媒体2020年9月报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持。METI将为2021年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和汽车供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

资料显示， 日本功率元件方向的氧化镓研发始于以下三位：日本国立信息通信技术研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的东胁正高先生、京都大学的藤田静雄教授、田村（Tamura）制作所的仓又朗人先生。

NICT的东胁先生于2010年3月结束在美国大学的赴任并返回日本，以氧化镓功率元件作为新的研发主题并进行构想。

京都大学的藤田教授于2008年发布了氧化镓深紫外线检测和Schottky Barrier Junction、蓝宝石（Sapphire）晶圆上的外延生长（Epitaxial Growth）等研发成果后，又通过利用独自研发的“雾化法”薄膜生产技术（Mist CVD法）致力于研发功率元件。

仓又先生在田村（Tamura）制作所负责研发LED方向的氧化镓单晶晶圆，并将应用在功率半导体方向。

三人的接触与新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）于2011年度提出的“节能革新技术开发事业—挑战研发（事前研发一体型）、超耐高压氧化镓功率元件的研发”这一委托研发事业有一定关联，接受委托的是NICT、京都大学、田村制作所等。可以说，由这一委托开启了GaO功率元件的正式研发。

2011年，京都大学投资成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村制作所合作投资成立了氧化镓产业化企业“Novel Crystal Technology”，简称“NCT”。现在，两家公司都是日本氧化镓研发的中坚企业，必须强调的是，这也是世界上仅有的两家能够量产GaO材料及器件的企业，整个业界已经呈现出“All Japan”的景象。

（1）Flosfia

2011年由京都大学投资成立，在2017年获得B轮融资750万欧元（500万英镑），2018年三菱重工和电装等大企业已经联名参与了其C轮融资，累计融资接近5亿人民币。

在对成本要求严格的电动汽车、“廉价化”的家电等数码机器方面，碳化硅和氮化镓即使性能卓越，制造商也难以接受其价格，成本问题阻碍着产业界对新半导体的材料的导入。FLOSFIA公司的“喷雾干燥法”（MistDry）先将氧化镓溶解于某种几十种配方混合而成的溶液里，然后将溶液以雾状喷在蓝宝石衬底上，在蓝宝石基板上的溶液干燥之前，就形成了氧化镓结晶。这样通过从液态直接获得GaO衬底，不需要高温、超洁净的环境，实现了超低成本制造GaO。

这种溶液常温下是液体，蒸发温度不需要达到1,500度，几百度就足够，而且制作结晶的环境是在常温空气中，没有任何高成本的环节。如果考虑做小尺寸，有望可以制造出和硅同样价格、比硅性能更好的半导体。

从官网可以看到，公司在2015年所首发的肖特基势垒二极管（SBD）已经送样，而其521V耐压器件的导通电阻仅为0.1mΩ/cm²，855V耐压的SBD导通电阻仅为0.4mΩ/cm²，损耗仅为SiC的1/7，由此足以见证新材料器件的优势。

因为材料属性的原因，有专家认为用氧化镓无法制造P型半导体。但京都大学的Shizuo Fujita与Flosfia合作在2016年成功开发出了具有蓝宝石结构的GaO常关型晶体管（MOSFET）。

常关型MOSFET 的第一个α相GaO由N +源/漏极层、p型阱层、栅极绝缘体和电极组成。从IV曲线外推的栅极阈值电压为7.9V。该器件由新型p型刚玉半导体制成，其起到反型层的作用。团队在2016年发现p型氧化铱Ir 2 O3，终于制作出了常关GaO MOS。

FLOSFIA总部位于日本京都，专门从事雾化学气相沉积（CVD）成膜。利用氧化镓的物理特性，FLOSFIA致力于开发低损耗功率器件。该公司成功开发了一种SBD，其具有目前可用的任何类型的最低特定导通电阻，实现与降低功率相关的技术，比以前减少了90％。

2018年，电装与FLOSFIA宣布合作研发新一代功率半导体设备,旨在降低电动车用逆变器的能耗、成本、尺寸及重量。

同样也是在2018年，电装与Flosfia决定共同开发面向车载应用的下一代Power半导体材料氧化镓（α相GaO）。据电装表示，通过这两家公司对面向车载的氧化镓（α相GaO）的联合开发，电动汽车的主要单元PCU的技术革新指日可待。此技术将对电动汽车的更轻量化发展及节约能源降低耗电起到积极作用，从而实现人、车、环境和谐共存。

据EE Times Japan报道，FLOSFIA在2019年12月11日-13日召开的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器件和评估板，并计划于2020年进行全球范围内首次GaO肖特基势垒二极管的量产。FLOSFIA方面称目前常关型GaO MOSFET的沟道迁移率已远远超过了商用SiC，让这项技术和产品有望应用于需要安全性的各种电源中，并有望应用在电动汽车和消费级快充中，和SiC拥有同等水平或以上性能的GaO MOSFET价格也会更便宜。Flosfia计划2021年实现GaO器件量产，业界正拭目以待。

（2）Novel Crystal Technology（以下简称NCT）

NCT成立于2015年，公司所采用的方案是基于HVPE生长的GaO平面外延芯片，他们的目标是加快超低损耗、低成本β相GaO功率器件的产品开发。

资料显示，NCT已经成功开发，制造和销售了直径最大为4英寸的氧化镓晶片。而在2017年11月，NCT与田村制作所（Tamura Corporation）合作成功开发了世界上第一个由氧化镓外延膜制成的沟槽型MOS功率晶体管，其功耗仅为传统硅MOSFET的1/1000。

按照他们的规划，从2019财年下半年开始，NCT将开始提供击穿电压为650V的β相GaO沟槽型SBD的10-30A样品。他们还打算从2021年开始推进大规模生产的准备工作。公司还致力于快速开发100A级别的β相GaO功率器件。

此外，日本早稻田大学采用FZ法生长出β-Ga2O3单晶。在单晶生长过程中通入适量O2抑制β-Ga2O3分解，晶体生长速度为1——5mm/h，直径最大为2.54cm，长度约为50mm。

2、美国

（1）空军研究室（AFRL）

美国空军研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究员Gregg Jessen领导的团队探索了GaO材料的特性，结果显示，GaO材料的速度和高临界场强在快速功率开关和射频功率应用中具有颠覆性的潜力。在这个成果的激励下，Jessen建立了美国的GaO研究基础，获得了首批样品。

此后，Kelson Chabak接任团队负责人，他们从唯一的商业供应商Tamura采购了衬底，并联系了Tamura投资的NCT购买外延片，同时也从德国莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）采购外延片。

Chabak表示：“我们之所以能够成为该领域的领导者，是因为我们能够尽早获得材料”。

AFRL在2016年报告了一个有IKZ外延片制作的MOSFET，该器件在0.6um的G-S漂移区内承载电压高达230V，意味着平均临界场强达到了3.8MV/cm，大约是4倍于GaN的临界场强，成为了“燎原之火”。

更重要的是，Chabak指出GaO的低热导率并不会阻碍其成为主流射频功率器件的因素，并用一些模型证明了倒装芯片技术和背面减薄技术相结合，可以让器件热阻达到接近SiC的水平。

AFRL目前致力于在短期内突破电子束光刻技术引入到制程工艺中，并将晶体管的尺寸降到um以下，这样将可使器件具备非常高的速度和击穿电压，成为快速开关应用的有力竞争产品。

AFRL正在试图突破GaO外延技术，并且资助了诺格公司的子公司Synoptics开发GaO的衬底生长技术，当各个环节具备之后，美国将是第二个彻底实现全产业链国产化的国家。

（2）美国纽约州立大学布法罗分校（UB）

据外媒报道，2020年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄。该团队在2018年制造了一个由5微米厚（一张纸厚约100微米）的氧化镓制成的MOSFET，击穿电压为1,850 V。该产品将用于制造更小、更高效的电子系统，应用在电动汽车、机车和飞机上。

3、德国

关于德国开展氧化镓研究的报道较少，目前仅看到德国莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）2009年开始研发和生长GaO晶体，使用提拉法，采用铱金坩埚，包括活动的铱金后加热器，生长出的晶体直径为2英寸，长度为40——65mm，晶体的结晶特性较好。此外，其也为美国AFRL供应了GaO外延片。

4、中国

我国其实开展氧化镓研究已经十余年，但是直到近年来46所的技术突破才实现了距离产业化“一步之遥”，从公开资料能了解到目前从事GaO材料和器件研究的单位和企业，主要是中电科46所、西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学等高校及科研院所，科技成果转化的公司有北京镓族科技、杭州富加镓业。国内团队未见关于GaO MOS的报道。

（1）中电科46所

据观察者网在2019年2月的报道，中国电科46所经过多年氧化镓晶体生长技术探索，通过改进热场结构、优化生长气氛和晶体生长工艺，有效解决了晶体生长过程中原料分解、多晶形成、晶体开裂等问题，采用导模法成功在2016年制备出国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶，在2018年底制备出国内第一片高质量的4英寸氧化镓单晶。报道指出，中国电科46所制备的氧化镓单晶的宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。这也是目前为止国内唯一能够达到该尺寸的记录保持者。

（2）西电大学/微系统所

据中国科学院上海微系统与信息技术研究所报道，在2019年12月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣课题组和西安电子科技大学郝跃课题组教授韩根全携手，在氧化镓功率器件领域取得了新进展。欧欣课题组和韩根全课题组利用“万能离子刀”智能剥离与转移技术，首次将晶圆级β相GaO单晶薄膜（400nm）与高导热的Si和4H-SiC衬底晶圆级集成，并制备出高性能器件。报道指出，该工作在超宽禁带材料与功率器件领域具有里程碑式的重要意义。首先，异质集成为GaO晶圆散热问题提供了最优解决方案，势必推动高性能GaO器件研究的发展；其次，该研究将为我国GaO基础研究和工程化提供优质的高导热衬底材料，推动GaO在高功率器件领域的规模化应用。

（3）复旦大学

在2020年6月，复旦大学方志来团队在p型氧化镓深紫外日盲探测器研究中取得重要进展。报道表示，方志来团队采用固-固相变原位掺杂技术，同时实现了高掺杂浓度、高晶体质量与能带工程，从而部分解决了氧化镓的p型掺杂困难问题。

（4）北京镓族科技

资料显示，北京镓族科技有限公司成立于2017年年底，是国内首家、国际第二家专业从事第四代（超宽禁带）半导体氧化镓材料开发及应用产业化的高科技公司，是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。

公司研发和生产基于新型超宽禁带半导体材料氧化镓的高质量单晶与外延衬底、高灵敏度日盲紫外探测器件、高频大功率器件，已与合作单位一起已经实现1000V耐压的肖特基二极管模型制作，并已经实现5000V耐压的MOSFET模型制作，开发出氧化镓基日盲紫外探测器分立器件和阵列成像器件，为深紫外光电器件提供了良好解决方案，可支持极弱火焰和极弱电弧实时检测等，并已推出系统化模块。公司已申请40余项专利，完成了产业中试的前期技术、人员、软硬件等量产化要求的所有准备工作。公司拥有厂房面积1500平米，涵盖完整的产业中试产线，具备研发和小批量生产能力，初步构建了氧化单晶衬底、氧化镓异质/同质外延衬底生产和研发平台。未来将不断完善晶体生长、晶体加工、外延薄膜性能测试、微纳加工、联合研发等六大平台搭建。

（5）杭州富加镓业

据官网信息，公司成立于2019年12月，注册资金500万，是由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。

富加镓业专注于宽禁带半导体材料研发，公司核心创始人具有中科院博士、剑桥大学博士等材料领域的深厚背景，团队成员主要来自中国科学院、美英海归等业内资深人才，研发人员中硕士以上比例达到80%；公司厂房面积八千余平米，拥有多台大尺寸导模法晶体生长炉、多气氛晶体退火炉、高精密抛光机等仪器设备，为公司的发展提供了基础支撑和持续创新动力硬件保证。

富加镓业最初技术来源于中科院上海光机所技术研发团队，该团队是我国最早从事氧化镓晶体生长的团队，从04年开始即开展研究。富加镓业专业从事氧化镓单晶材料设计、模拟仿真、生长及性能表征等工作，形成了较鲜明的特色和优势。我们注重知识产权保护和氧化镓相关基础探索研究工作，在全球范围内对氧化镓晶体材料生长及上下游应用领域的专利进行布局，申请进入欧盟、美国、日本、韩国、新加坡等国家。团队的氧化镓晶体材料及器件基础研究成果，多篇科研论文已发表在国际顶级学术期刊上，与全球科研工作者共享最新研究成果，共同推动全球第四代半导体相关行业的发展。

（6）其他

山东大学采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法研究了β相GaO薄膜的生长及其光学性质。北京邮电大学、电子科技大学、中山大学也分别独立开展了β相GaO薄膜及日盲紫外探测器的研究，已取得了一些重要的研究成果，但基本未见在晶体材料方面的相关报道。

5、其他

印度的Raja Ramanna先进技术中心采用类似EFG的方法，生长出直径5——8mm、长度40——50mm的低缺陷β相GaO单晶，（400）面XRC半高宽约为0.028°。

葡萄牙圣地亚哥大学采用激光加热浮区法生长出了离子掺杂和非掺的低缺陷β相GaO晶体光纤。

随着电动车和便携式用电的需求成为主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已经明显在第四代半导体的氧化镓材料方面处于领先优势，日本半导体界也将GaO作为日本半导体产业“复兴的钥匙”，已在国内掀起研发和应用的热潮。与此同时，美国、中国、欧洲等也正在试图追赶，可以想到的是，美日双方从材料供应到技术合作必然要比中日合作更加深入，这场功率器件竞赛已然拉开帷幕，而中国将可能独自前行。

氧化镓器件将迎来爆发式增长

功率半导体用于所有电力电子领域，市场成熟稳定且增速缓慢。但是，业界对于更大功率（充放电更快）、更高效节能（减少发热更安全环保）、更小体积和重量（更便携易安装维护）以及更低成本（更广阔的应用和市场）的追求是永无止境的。因此近年来，新能源汽车、可再生能源发电、变频家电、快充等新应用领域迎来了新的巨大增长点。

①行业特征一：不需要追赶摩尔定律，一般使用0.18——0.5um制程即可，倚重材料质量，对材料和器件的生产工艺要求高，因整体趋向集成化、模块化，需要开发新的封装设计。

l 设计环节：功率半导体电路结构简单，不需要像数字逻辑芯片在架构、IP、指令集、设计流程、软件工具等投入大量资本。

l 制造环节：因不需要追赶摩尔定律，产线对先进设备依赖度不高，整体资本支出较小。

l 封装环节：可分为分立器件封装和模块封装，由于功率器件对可靠性要求非常高，需采用特殊设计和材料，后道加工价值量占比达35%以上，远高于普通数字逻辑芯片的10%。目前，根据在研项目和产品布局看，国内企业开始向价值量更高的中高端产品转型。

②行业特征二：功率半导体行业一般采用IDM模式，更适合企业做大做强。上游的衬底、外延企业虽可以成为单独环节，但如特征一所述，工艺占比很高，芯片设计和制造环节是要集成在一起的，否则将丧失技术进步的能力，并且产能受到限制，因此委外代工仅可作为低端产品的产能补充。

③行业特征三：新能源车等新兴应用不断推动新半导体材料兴起。

氧化镓单晶材料在功率电子器件方面具有极大的应用潜力。典型的应用领域包括：电动汽车、光伏逆变器、高铁输电、军用电磁轨道炮、电磁弹射、全电舰艇推进等；除此之外，氧化镓自身即有不错的射频特性，当前由于低成本及与GaN的低失配的特性，还可用于GaN材料的外延衬底，GaN及HEMT具有功率密度高、体积小、可工作在40GHz等优点，是5G基站攻略放大器的首选材料。因此，5G行业的迅速发展也将带动氧化镓单晶衬底产业的迅速发展。

新能源、5G等新兴应用加速第三代和第四代半导体材料产业化需求，我国市场空间巨大且有望在该领域快速缩短和海外企业的差距。

①天时：第四代材料在高功率、高频率应用场景具有配合第三代半导体取代硅材的潜力，行业整体都处于产业化起步阶段。

②地利：受下游新能源车、5G、快充等新兴市场需求以及潜在的硅材替换市场驱动，目前深入研究和产业化方向以SiC和GaN为主，GaO的技术储备较弱，真正有技术的公司面对的竞争压力小。

③人和：第四代半导体核心难点在材料制备，材料端的突破将获得极大的市场价值，可获得国家在政策和资金方面的大力支持。

我国发展氧化镓的机遇与挑战

硅基材料经过了50年的发展，达到了目前的12寸。

SiC材料的最大尺寸记录是近日更名为Wolfspeed的美国Cree公司所推出的8英寸衬底样品，其尚未导入大规模商业化，产业界刚刚准备规模化生产基于6英寸衬底的功率器件。

由于国内LED产业的高度发展，业界基于8英寸硅基GaN的功率电子器件发展相对较快。

如此看来，GaO很有可能在尺寸方面，即大规模制造的可能性和成本方面对上述造成后来者居上的威胁。

成本方面，从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看，基于GaO材料的器件成本为195美金，是SiC材料器件成本的约五分之一，已与硅基产品的成本所差无几。

目前我国正在大力发展第三代半导体SiC和GaN，对GaO刚刚开始关注，产业界、投资界对这种材料的特性和应用还未像前两种材料一样熟稔，有了解者也想当然认为SiC和GaN发展了数十年才达到现在的规模，那么GaO势必也还需要十年甚至数十年的发展才能大规模应用。这样的想法可能会导致我们失去国内技术和市场发展的先机。

文章来源：宇文戬，大洋网，宽禁带联盟