根據《日本經濟新聞》6月16日報導，日本新創公司 Novel Crystal Technology, Inc. 在同 (16) 日宣布，該公司領先全球、成功完成了新一代半導體材料「氧化鎵」(Ga2O3) 的 4 吋 (100mm) 晶圓量產。

氧化鎵的別名是三氧化二鎵，氧化鎵（Ga2O3）是一種寬禁帶半導體，Eg=4.9eV，其導電性能和發光特性長期以來一直引起人們的注意。

圖：β相氧化鎵晶體結構

Ga2O3是一種透明的氧化物半導體材料，在光電子器件方面有廣闊的應用前景 ，被用作于Ga基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。它還可以用作O2化學探測器。

氧化鎵在半導體領域的應用并不是一項嶄新的技術，在很多年前就有人對其展開了大量的研究，但這種材料原本不是用于功率元件的，最初是計劃用于LED（發光二極管）基板等而進行研發的。

氧化鎵的性能優勢  

氧化鎵其實并不是什么新型材料，反而有了近70年的歷史，1952年就已經有科學家發現了它的五種變體。但由于該材料被大多數半導體研究者和工程師忽略，其發展才落后于氮化鎵和碳化硅等材料。直到近年以來，半導體產業才開始察覺到氧化鎵在光電器件應用上的優秀特性，而日本正是該材料的主要研究地區。

砷化鎵、氮化鎵、氧化鎵、硅、碳化硅特性比較 / IEEE

氮化鎵之所以能夠賦予器件前所未有的性能，一大原因要歸結于它的禁帶寬度。

寬禁帶使得材料可以承受更高的電場強度，硅的禁帶寬度低至1.1eV，而碳化硅的禁帶寬度為3.3eV，氮化鎵的禁帶寬度也只有3.4eV，相較之下近似5eV的氧化鎵占了很大的優勢。從上圖IEEE測試數據中也可以看出，氧化鎵在臨界電場強度和禁帶寬度占有絕對優勢。

氧化鎵分為α、β、γ、δ和ε五種結晶形態，其中最為穩定的是β-氧化鎵，其次是ε和α，目前大部分研究和開發也是針對禁帶寬度在4.7eV和4.9eV之間的β-氧化鎵進行。

2012年，日本NICT開發出了首個單晶β-氧化鎵晶體管，其擊穿電壓就已經達到了250V以上，要知道氮化鎵可是經過了近20年的發展才跨過這個里程碑。而且β-氧化鎵的生長速率快于碳化硅和氮化鎵，襯底工藝也相對較簡單。

但對合適的半導體材料來說，僅有寬禁帶是遠遠不夠的，氧化鎵同樣擁有自己的局限性，比方說它的導熱能力差，甚至低于砷化鎵。與導熱性能強的碳化硅相比，氧化鎵的導熱性只有前者的十分之一。

這意味著晶體管中產生的熱量難以發散，很有可能限制設備的壽命。其次，氧化鎵制造p型半導體的難度較高，這兩點也成了氧化鎵商用普及的限制條件，需要業內投入更多精力和人才來解決。

除了材料性能優異如帶隙比碳化硅和氮化鎵大，利用 Ga 2 O 3 作為半導體材料的主要原因是其生產成本較低。

隨著氧化鎵晶體生長技術的突破性進展，氧化稼和藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶狀態。

可以通過運用與藍寶石晶圓生產技術相同的EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法，做出氧化鎵晶圓，成熟的生產工藝會大幅度降低生產成本。

因為擁有如此多的優勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術。

氧化鎵半導體的產業現狀

據市場調查公司——富士經濟于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！

在SiC方面或GaN方面，從產業鏈分工的角度來看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底→外延→器件→模塊垂直供應的體系。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購買襯底，隨后自行進行外延生長并制作器件及模塊。

而在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發全球領先。不過研究氧化鎵功率元件并進行開發的并不是上述范疇的大中型功率半導體企業，而是初創企業。

我國其實開展氧化鎵研究已經十余年，但是直到近年來46所的技術突破實現了距離產業化”一步之遙“，從公開資料能了解到目前從事GaO材料和器件研究的單位和企業，主要是中電科46所、西安電子科技大學、上海光機所、上海微系統所、復旦大學、南京大學等高校及科研院所，和科技成果轉化的公司北京鎵族科技、杭州富加鎵業。

圖：在電流和電壓需求方面Si，SiC，GaN和GaO功率電子器件的應用

▌ 日本FLOSFIA

氧化鎵的開發進展比較大的玩家之一為日本的FLOSFIA，該公司已經成立十年，最初由京都大學的一個研究項目衍生出來。FLOSFIA的主要業務是充分利用氧化鎵的物理特性，以自研的MISTDRY技術開發出低損耗的功率器件。FLOSFIA也在今年3月底的E輪投資中獲得了由三菱重工領投的10億日元投資。

氧化鎵SBD / FLOSFIA

目前FLOSFIA已經成功開發出了超低導通電阻的肖特基二極管，其導通電阻低至0.1mΩcm2，這也是全球首個采用剛玉結構的氧化鎵功率器件。

FLOSFIA提到在該氧化鎵功率器件中，他們采用了LED中已經商用化的藍寶石襯底。該器件不僅以超低導通電阻實現了低損耗，而且具備良好的高頻特性，非常適合高速開關應用。

FLOSFIA也在和股東之一的電裝開發下一代氧化鎵汽車功率半導體。

值得一提的是，FLOSFIA采用的是α-氮化鎵，雖然β-氧化鎵更為穩定，但α-氮化鎵擁有更好的禁帶寬度，達到5.1eV到5.3eV。在判斷低頻功率半導體損耗的BFOM指數上，α-氮化鎵可以做到碳化硅的近20倍。

下一代功率器件及相關設備的市場趨勢 / Fuji Economy

考慮到技術尚沒有完全成熟，FLOSFIA的短期市場定位仍在家庭電力調節、電源適配器、UPS等中壓應用上，未來再推進到基站等高頻通信設備、電動汽車逆變器和工業電機等領域。而且以目前的功率器件市場分析數據來看，氧化鎵只有在2025年才會嶄露頭角，到2030年實現一定的普及。

▌ 美國空軍研究室（AFRL）

美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領導的團隊探索了GaO材料的特性，結果顯示，氧化鎵材料的速度和高臨界場強在快速功率開關和射頻功率應用中具有顛覆性的潛力。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的氧化鎵研究基礎，獲得了首批樣品。

圖：AFRL制作的2英寸帶有GaN外延層的Synoptics 氧化鎵晶體管（Compound Semiconductor）

AFRL目前致力于在短期內突破電子束光刻技術引入到制程工藝中，并將晶體管的尺寸降到um以下，這樣將可使器件具備非常高的速度和擊穿電壓，成為快速開關應用的有力競爭產品。

AFRL正在試圖突破氧化鎵外延技術，并且資助了諾格公司的子公司Synoptics開發氧化鎵的襯底生長技術，當各個環節具備之后，美國將是第二個徹底實現全產業鏈國產化的國家。

▌ 中國電科46所

據報道中國電科46所經過多年氧化鎵晶體生長技術探索，通過改進熱場結構、優化生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生長過程中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功在2016年制備出國內第一片高質量的2英寸氧化鎵單晶，在2018年底制備出國內第一片高質量的4英寸氧化鎵單晶。

報道指出，中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm，總長度達到250mm，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。這也是目前為止國內唯一能夠達到該尺寸的記錄保持者。

▌ 中國西電大學/微系統所

據中國科學院上海微系統與信息技術研究所報道，在2019年12月，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學郝躍課題組教授韓根全攜手，在氧化鎵功率器件領域取得了新進展。

歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬能離子刀”智能剝離與轉移技術，首次將晶圓級β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，并制備出高性能器件。

報道指出，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領域具有里程碑式的重要意義。首先，異質集成為GaO晶圓散熱問題提供了最優解決方案，勢必推動高性能GaO器件研究的發展；其次，該研究將為我國GaO基礎研究和工程化提供優質的高導熱襯底材料，推動GaO在高功率器件領域的規模化應用。

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