近日，国内对第四代半导体材料——氧化镓的研发迎来了新的突破。

据“浙大杭州科创中心”消息，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。

国际首创！浙大开发新技术

成功制备2英寸氧化镓晶圆

浙江大学杭州国际科创中心介绍称，使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际尚属首次。

浙大科创中心研发团队张辉教授介绍，使用新技术路线生长的氧化镓晶圆有两个显著优势：

一是使用这种方法生长出的氧化镓晶圆的晶面具有特异性，使得制作的功率器件具有较好的性能；

二是由于采用了熔体法新路线，减少了贵金属铱的使用，使得氧化镓生长过程不仅更简单可控，成本也更低，具有更大的产业化前景。

经检测，科创中心采用新技术路线研制出的这批氧化镓晶圆的导电类型为半绝缘型，直径尺寸达到50.8±0.5mm，表面粗糙度小于0.5nm，光学透过率良好，高分辨X射线摇摆曲线测试半高宽小于100弧秒，衍射峰均匀对称，单晶质量较好，关键技术指标已达领域内的先进水平。

氧化镓的性能优势

氧化镓其实并不是什么新型材料，反而有了近70年的历史，1952年就已经有科学家发现了它的五种变体。但由于该材料被大多数半导体研究者和工程师忽略，其发展才落后于氮化镓和碳化硅等材料。直到近年以来，半导体产业才开始察觉到氧化镓在光电器件应用上的优秀特性，而日本正是该材料的主要研究地区。

氮化镓之所以能够赋予器件前所未有的性能，一大原因要归结于它的禁带宽度。

宽禁带使得材料可以承受更高的电场强度，硅的禁带宽度低至1.1eV，而碳化硅的禁带宽度为3.3eV，氮化镓的禁带宽度也只有3.4eV，相较之下近似5eV的氧化镓占了很大的优势。从上图IEEE测试数据中也可以看出，氧化镓在临界电场强度和禁带宽度占有绝对优势。

氧化镓分为α、β、γ、δ和ε五种结晶形态，其中最为稳定的是β-氧化镓，其次是ε和α，目前大部分研究和开发也是针对禁带宽度在4.7eV和4.9eV之间的β-氧化镓进行。

2012年，日本NICT开发出了首个单晶β-氧化镓晶体管，其击穿电压就已经达到了250V以上，要知道氮化镓可是经过了近20年的发展才跨过这个里程碑。而且β-氧化镓的生长速率快于碳化硅和氮化镓，衬底工艺也相对较简单。

但对合适的半导体材料来说，仅有宽禁带是远远不够的，氧化镓同样拥有自己的局限性，比方说它的导热能力差，甚至低于砷化镓。与导热性能强的碳化硅相比，氧化镓的导热性只有前者的十分之一。

这意味着晶体管中产生的热量难以发散，很有可能限制设备的寿命。其次，氧化镓制造p型半导体的难度较高，这两点也成了氧化镓商用普及的限制条件，需要业内投入更多精力和人才来解决。

除了材料性能优异如带隙比碳化硅和氮化镓大，利用 Ga 2 O 3 作为半导体材料的主要原因是其生产成本较低。

随着氧化镓晶体生长技术的突破性进展，氧化稼和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状（Bulk）单结晶状态。

可以通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法，做出氧化镓晶圆，成熟的生产工艺会大幅度降低生产成本。

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。

多国争抢15亿美元市场

当前，以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料迅速发展，但不容忽视的是，以氧化镓和锑化镓为主的第四代半导体材料也正在逐渐走进人们的视野。

据悉，使用氧化镓制作的半导体器件可以实现更耐高压、更小体积、更低损耗，可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。

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。

从全球范围来看，对于第四代半导体氧化镓的研究，以日本最为领先。早在2012年，日本便获得2英寸氧化镓材料，并于2014年实现了批量产业化，随后又实现了4英寸氧化镓材料的突破及产业化。

据中国电子报报道，日本企业Novell Crystal Technology正联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头，以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构，推动氧化镓单晶及衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。

此外，美国、德国、法国等也在加紧氧化镓产品的研究和竞争，如美国的空军研究实验室、海军实验室和宇航局；德国的莱布尼茨晶体生长研究所、以及法国圣戈班等都已加入氧化镓材料及器件研发的浪潮中。

10年后或直接与SiC器件竞争

尽管主流技术路线生长的氧化镓晶体，成本比较高，一定程度上影响了氧化镓材料在国内的大规模产业化，但作为国际科技战略必争高地，氧化镓产品的研制已经成为我国未来的研发重点之一。

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。

尽管从目前来看，国内氧化镓的发展尚处于早期研发阶段，但中国科学院院士郝跃依然看好氧化镓的发展。

在郝跃看来，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。

事实上，我国对于氧化镓的研究已有十余年时间。经过多年氧化镓晶体生长技术探索，中国电科46所分别于2016年和2018年相继制备出了国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶和4英寸氧化镓单晶。

2022年3月，中国电科46所再次成功研制出拥有自主知识产权的高耐压性能半导体材料——HVPE氧化镓同质外延片，填补了国内技术空白。

氧化镓半导体国内外研究进展

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1542亿日元（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（1085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大！

而在氧化镓方面，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。

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，和科技成果转化的公司北京镓族科技、杭州富加镓业。

日本FLOSFIA

氧化镓的开发进展比较大的玩家之一为日本的FLOSFIA，该公司已经成立十年，最初由京都大学的一个研究项目衍生出来。FLOSFIA的主要业务是充分利用氧化镓的物理特性，以自研的MISTDRY技术开发出低损耗的功率器件。FLOSFIA也在今年3月底的E轮投资中获得了由三菱重工领投的10亿日元投资。

目前FLOSFIA已经成功开发出了超低导通电阻的肖特基二极管，其导通电阻低至0.1mΩcm2，这也是全球首个采用刚玉结构的氧化镓功率器件。

FLOSFIA提到在该氧化镓功率器件中，他们采用了LED中已经商用化的蓝宝石衬底。该器件不仅以超低导通电阻实现了低损耗，而且具备良好的高频特性，非常适合高速开关应用。

FLOSFIA也在和股东之一的电装开发下一代氧化镓汽车功率半导体。

值得一提的是，FLOSFIA采用的是α-氮化镓，虽然β-氧化镓更为稳定，但α-氮化镓拥有更好的禁带宽度，达到5.1eV到5.3eV。在判断低频功率半导体损耗的BFOM指数上，α-氮化镓可以做到碳化硅的近20倍。

考虑到技术尚没有完全成熟，FLOSFIA的短期市场定位仍在家庭电力调节、电源适配器、UPS等中压应用上，未来再推进到基站等高频通信设备、电动汽车逆变器和工业电机等领域。而且以目前的功率器件市场分析数据来看，氧化镓只有在2025年才会崭露头角，到2030年实现一定的普及。

美国空军研究室（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，氧化镓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建立了美国的氧化镓研究基础，获得了首批样品。

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正在试图突破氧化镓外延技术，并且资助了诺格公司的子公司Synoptics开发氧化镓的衬底生长技术，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。

中国电科46所

据报道中国电科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。

中国西电大学/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。

我们离Ga2O3 落地还有多远？

Ga2O3 未来潜力值得期待，不过现阶段仍有许多问题有待克服。

目前 Ga2O3 在材料本身主要之问题为散热与P-type掺杂不易达成;散热方面，可以发现热导率（0.25 W/cm.K）相较于其他高功率材料差;SiC热导率 4.9 W/cm.K，GaN 热导率2.3 W/cm.K，散热问题严重的话会造成在组件操作方面接口的热崩溃，目前主要透过结构设计解决此问题，例如使用高导热系数的基板帮助分流其操作的高温。

而P-type掺杂则更为棘手，目前尚未有足够的电洞迁移率文献被发表提出，现有资料主要归纳出以下三个原因：首先因为Ga2O3 在氧的共价键方面为2p 轨域，拥有非常强的键结电子不容易被抢走，造成深受子态（deep acceptor state）。第二，Ga2O3 中的电洞有效质量（effective mass）太高，造成平坦价带（flat valence band）边缘倾向于氧。最后，因为自由电洞的容易被自我捕捉（self-trapped）于晶格扭曲（latticedistortion）中，使扩散与低电场的漂移都不太可能去实现。这是 Ga2O3 目前所面临的一些问题，有待去改善以达到更多元的应用。

长晶部份，主要有 floating zone（FZ）、edgedefined film（EFG）、与 Czochralskimethods（CZ），这些方法在制作蓝宝石基板已经使用多年，因此在生产浅潜力上相较其他化合物半导体 GaN 和 SiC，更能大量生产与降低成本。

在现今商业生产上主要应用EFG长晶法，此方法能生产大量且高纯度的Ga2O3 晶圆，在N2/O2下融化高纯度（5N）的Ga2O3 Powder 在 Ir 的坩锅中，并以每小时 15 mm 的速率从晶种中拉出晶棒，最后再去清洗切割，若要 n-type 掺杂后续再掺 Sn 或Si 等元素。

综观上述，Ga2O3 属于新开发之材料，潜力极佳与产业应用前景可期。

文章来源：科技新报，宽禁带联盟， 全球半导体观察