目前，以碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)為代表的第（dì）三（sān）代半導體（tǐ）受到廣泛的關注，人（rén）們對SiC在新能源汽車、電力能（néng）源等大功率、高溫（wēn）、高壓場合，以及GaN在快充領域的應用前景寄予厚望，學術界、投資界（jiè）和產業界都認可其將發揮（huī）傳統矽器（qì）件無法實現的作用。

然而，SiC 和（hé） GaN 並（bìng）不（bú）是終點，近年來日本（běn）對氧化镓(Ga2O3，後簡稱GaO，與GaN對照)的研究屢次取得進展，使（shǐ）這種（zhǒng）第四代半導體的代表材料走入了人們的視野，憑（píng）借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓（yā）、大功率等更優的特性，以及極低的（de）製（zhì）造成本，在功率應用方麵（miàn）具有獨特優勢。因此，近幾年關於氧化镓的（de）研究又熱了起來。

實際（jì）上，氧（yǎng）化镓並不是很新的技術，一直以來都有（yǒu）公司和研（yán）究機構對其在功率半（bàn）導體領域的應用進行鑽研。但（dàn）受限於材料供應被日本兩家公司壟斷（duàn），研究受到比較大的阻礙，相關研發工作的風頭都被後二者搶去。而隨著應用需求的發展（zhǎn）愈加明朗，未來對高功率器件的（de）性能要求越來（lái）越高，人們更深切地看到了氧（yǎng）化镓的優勢和前景，相應的研發工作又多了起來，氧化镓已成為美國、日本（běn）、德國等國家的研（yán）究熱點和競（jìng）爭重點。另一方麵，我國在這方麵（miàn）的研（yán）究（jiū）仍比較欠缺，在日本已經可以推（tuī）出批量（liàng）產（chǎn）品、我國國內市場每年翻倍的當下，國內產業化程度仍（réng）處於非常初級的（de）階段。

氧化镓材（cái）料（liào）的特性

氧化镓是金屬镓的氧化（huà）物，同時也是一種半導體（tǐ）化合物。其結晶形態截（jié）至目前已確認（rèn）有α、β、γ、δ、ε五種，其中（zhōng），β相最穩定。

圖：β相氧化镓晶體結構（網絡）

業界與GaO的結晶生長及（jí）物性相關的研究報告大部分都使（shǐ）用β相，國內也普遍（biàn）使用β相展開研發。β相具備名（míng）為“β-gallia”的（de）單結（jié）晶構造。β相（xiàng）的帶隙很大，達到4.8～4.9eV，這一數（shù）值（zhí）為Si的（de）4倍多，而且也超過了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情況下，帶隙較（jiào）大，擊穿（chuān）電場強度也會很（hěn）大。β相的擊穿電場強度估計為8MV/cm左右，達到Si的20多倍，相當（dāng）於SiC及GaN的2倍以上，目前已有研究機構實際做出來6.8MV/cm的器件。

圖：半導（dǎo）體材料特（tè）性（郝躍院士）

β相在展現出色（sè）的（de）物性參（cān）數的同時，也有一些不如SiC及GaN的方麵，這就是遷移率和導熱率低，以及難以製造p型半導體。不過，目前研究表明這些方麵對功率元件的特性不會有太大的（de）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（de）性（xìng）能很（hěn）大（dà）程度上取決於擊穿電場強度。就β相而言，作為低損失（shī）性指標（biāo）的“巴利加優值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場強度的3次方成正（zhèng）比、與遷移率的1次方成正比。巴加利優（yōu）值較大，是SiC的（de）約10倍、GaN的約4倍。

Baliga性能（néng）指數是由原在（zài）美國General Electric從事多年功率半導體研（yán）發工作、現在美國北（běi）卡（kǎ）羅萊納州州立（lì）大學擔任名譽教授的Jayant Baliga先生提出的，用於Power MOS FET等單極元件(Unipolar Device)的性能評價。有（yǒu）將低頻的理論（lùn）損（sǔn）耗定量化的“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和將高頻的理論損耗定（dìng）量化（huà）的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在（zài）功率半導體的研發領域，一（yī）般多實用低（dī）頻的BFOM。

圖：功（gōng）率半（bàn）導體材料（liào）對比（半（bàn）導體行業觀察譯自PC.watch）

由於β相的巴利加優值較高，因此（cǐ），在製造相同（tóng）耐（nài）壓的單極（jí）功率器件時，元件的導通（tōng）電阻比采用 SiC 或 GaN 的低很多，有實（shí）驗數據表明，降低導通電阻有（yǒu）利於減少電源電路在導通時的電力損耗。使用β相的功率（lǜ）器件，不僅能減少導通時的電力損耗（hào），還可降低開關時（shí）的損耗，因為在耐壓 1kV 以上的高耐壓應用方麵，可以使用單極元件。

圖：在電流和電壓需求方麵Si，SiC，GaN和GaO功率電子器件的應（yīng）用(Flosfia介紹)

比如，設有利用保護膜來減輕電場向柵極集中的（de）單極晶體管(MOSFET)，其耐壓可達到 3k～4kV。而使用矽的（de）話，在耐壓為 1kV 時就必須使用（yòng）雙極元件，即便使用耐壓較高的（de） SiC，在耐壓為 4kV 時也必須使用雙極（jí）元（yuán）件。雙極元（yuán）件以電子和空穴為載流子，與隻以電子為載流子的單極元件相比，在導通和截止的開關操（cāo）作時，溝道內的載流子的產生（shēng）和消失會耗費時間，損失容（róng）易（yì）變大。

在熱導率方麵，如（rú）果該參數低，功率器件很難在高溫下工作。不過，實際應用中的工作溫度一般不會超過 250℃，因此，實際（jì）應用當（dāng）中不會在這方麵出現（xiàn）大的問題。由於封裝有功率器件的模塊和電源電路使（shǐ）用的封（fēng）裝材料、布線（xiàn）、焊錫、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過 250℃，因此功率器件的工（gōng）作溫度也要控製在這一水平之下。

再從另一個角度看，易於製造（zào）的天然襯（chèn）底，載流子濃度的控製以及固有的熱（rè）穩定（dìng）性也推動了GaO器件的發展。相關論文表示（shì），用Si或Sn對GaO進行N型摻雜時，可以實現（xiàn）良好的可控性。

盡管某些UWBG半導體（例如氮化鋁（lǚ）AlN，立方氮化硼c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了（le）GaO，但它們的材料製備、器件加（jiā）工等環（huán）節受（shòu）到了嚴格的限製。換而言之，AlN、c-BN和金剛石仍然缺乏大（dà）規模產業化的技（jì）術（shù）積累。

圖：關鍵材料（Si,SiC,GaN,GaO）特性對比（IEEE）

相關統計數據顯示，從數據上看，氧化镓的損耗理論上是矽的1/3,000、碳化矽的1/6、氮（dàn）化（huà）镓的1/3，即在SiC比Si已經降低86%損耗的基礎上，再降低86%的損耗，這讓產業界人士對其（qí）未來（lái）有很高（gāo）的期待。

圖（tú）：GaO成本構成（Compound Semiconductor）

而成本更是讓其成為一個吸引產業關注的另一個重要因（yīn）素（sù）。

SiC晶錠的製作普遍采用PVT法，將固態SiC加（jiā）熱至2500℃升華後（hòu）再在溫度（dù）稍低的高質量SiC籽晶上重新結晶，核心（xīn）難點（diǎn）在於：

1）加熱溫度高達2500℃，且SiC生長速度很慢（<1mm>

2）生長出的晶錠（dìng）尺寸遠（yuǎn）遠短於Si；

3）對籽晶要求很高，需要具備高質量、與所需晶體直（zhí）徑一致（zhì）等特點；

4）SiC晶錠硬度較高（gāo），加工及拋光難度大；

基於SiC襯底，普遍采用化學氣相沉積技術（CVD）獲得高質量外延層，隨（suí）後在外延層上進行功率器件的製造。由於（yú）SiC襯（chèn）底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度（dù），會進一步幹擾外延層生長，外延層本身也會產生結晶缺陷，影（yǐng）響後續器件性能。

GaO和藍寶石一樣，可（kě）以從（cóng）溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶狀態。實際（jì）上，通過運用與藍寶石晶圓生產技術相同的（de）導模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已試做出最（zuì）大直徑為6英寸（150mm）的（de）晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶圓已經開始銷售作研究開發方向（xiàng）的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低廉、生長速度快（kuài）、生長晶體尺寸大。

另一家Flosfia使用的“霧化法”已製作出（chū）4英寸（cùn）（100mm）的α相晶圓（yuán），成本已接近於矽。而碳化矽（ SiC ）與氮化镓 （GaN）材料目前隻能使用“氣相（xiàng）法（fǎ）”進行（háng）製備，未來成本也將繼續受到（dào）襯底高成本（běn）的阻礙而難以大幅度下降。對於 GaO來（lái）說，高（gāo）質量與大尺寸的天然襯底，相對於目前采用的寬（kuān）禁帶 SiC 與 GaN 技術（shù），將具備獨特且顯著的成本優勢。

氧化镓的研發及產業（yè）化現狀

因為擁有如（rú）此多的（de）優勢，氧化镓（jiā）被看作一個比氮化镓擁有更廣（guǎng）闊前景的（de）技術。

據市場調（diào）查公司--富士經濟於2019年6月（yuè）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（yǎng）化镓功率元件的市場規（guī）模將會達到1,542億（yì）日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比（bǐ）氮化镓功率元件的規模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！

在SiC或GaN方麵，從產業鏈分工的角度（dù）來看，目前Cree、Rohm、ST都已（yǐ）形（xíng）成了SiC襯底→外延（yán）→器件→模塊（kuài）垂直供應的體係。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購買（mǎi）襯底，隨後自行進行外（wài）延生長並製作器件及模塊。

在氧化镓方麵（miàn），日本在襯底-外延-器件等方麵的研發（fā）全球領先。不過研究氧化镓功率元件並進行（háng）開發的並不是上述（shù）範疇（chóu）的大中型功率半導體企業，而是初創企業。

1、日本

據日本媒體2020年9月報道，日本經濟產業省（METI）正準備為致力於開發新一（yī）代低能（néng）耗半導體材料“氧化镓”的（de）私營企業和大學（xué）提供財政支持。METI將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預計（jì）未來5年的投資額將超過8560萬美元。METI認為，日本公司（sī）將能夠在本世紀20年（nián）代末開始為數（shù）據中心、家用電器（qì）和汽車供應基於（yú）氧化镓的半導體。一（yī）旦氧化镓取代目前廣泛使用的矽材料，每年（nián）將減少1440萬（wàn）噸（dūn）二氧化碳的排放。

資料顯示， 日本（běn）功率元件方向的氧化镓（jiā）研（yán）發始於以下（xià）三位：日本國立信息（xī）通信（xìn）技術研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的東脅正高先生、京都大學的藤田靜雄教授、田村（Tamura）製作所的倉（cāng）又朗人先生（shēng）。

NICT的東脅（xié）先生於2010年3月結束在美（měi）國大學的赴任並返回日本，以氧化镓（jiā）功率元件作為新的研發主題並進行構想。

京都大（dà）學的藤田教（jiāo）授於2008年發布了氧化镓深紫外線檢測和Schottky Barrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（zhǎng）（Epitaxial Growth）等研發成果後，又通過利用獨自研發的“霧化法”薄膜生產技術（Mist CVD法）致力於研發功率元件。

倉又先生在田村（Tamura）製作所（suǒ）負責研發LED方向的氧（yǎng）化镓單晶晶圓（yuán），並將應用在功率半（bàn）導體方向。

三人（rén）的接觸（chù）與新能源·產業技術綜合開發機構（NEDO）於（yú）2011年度提出的“節能革新技術開發事（shì）業（yè）—挑戰研發（事前研發一體型）、超耐高壓氧化镓功率元件的研發”這（zhè）一委托研發事業有一定關聯，接受委托的是（shì）NICT、京都大學、田村製作所等。可以說，由這一委托開啟了GaO功率（lǜ）元件的正式研發。

2011年（nián），京都大學投資成立了公（gōng）司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村製作所合作投資成立了氧化镓產業化企業“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。現（xiàn）在，兩家公司都是日本氧化（huà）镓研發的中堅企業，必須強調的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產GaO材料及器件的企業，整個業界已經呈現出“All Japan”的景（jǐng）象。

（1）Flosfia

2011年由京都大學（xué）投資成立，在2017年獲得B輪融資（zī）750萬歐元（500萬（wàn）英（yīng）鎊），2018年三菱重工（gōng）和電裝（zhuāng）等大企業已經聯名參與了其C輪融資，累計融資接近5億人民幣。

在對成本要求嚴格的電動汽車、“廉價化”的家電（diàn）等（děng）數碼機器方麵，碳化矽和氮化镓即使性能卓越，製造商也難以接受其價格，成本問題阻礙著產業界對（duì）新半導體（tǐ）的材料的導入。 FLOSFIA公司的“噴（pēn）霧幹燥法”（MistDry）先將氧化镓溶解於某種幾（jǐ）十（shí）種配方混合而成的溶液裏，然（rán）後將溶液以霧狀噴在藍（lán）寶石襯底上，在藍寶石基板上的溶液幹燥之前，就形成了氧化镓結晶。這（zhè）樣通過從（cóng）液態直接獲（huò）得GaO襯底，不需要（yào）高溫、超（chāo）潔（jié）淨的（de）環境，實現了（le）超低成本製造GaO。

圖：MistCVD原（yuán）理圖（ Electronics Weekly）

這種溶（róng）液常溫下是液體，蒸發溫度不需要達到1,500度，幾百度就足夠，而且製作結晶的環境是在常溫空氣中，沒有任何高成本的環節。如果考（kǎo）慮做小尺寸，有望（wàng）可以製造出和矽同樣價格、比（bǐ）矽性能更好的半導體。

圖：直徑為4英寸的藍寶（bǎo）石襯底上形成的Ga 2 O 3薄膜(FLosfia官網)

從官網可以看到，公司在2015年所首發的肖特基勢壘二極管（SBD）已經送樣，而其521V耐壓器件的導通電阻僅為0.1mΩ/cm²，855V耐壓的SBD導（dǎo）通電阻僅為0.4mΩ/cm²，損耗僅為SiC的1/7，由此足以見證新材料器件的優勢。

圖：Flosfia製作的超低導通電阻SBD(FLosfia官網)

因（yīn）為材料屬性的原因，有專家認為用氧化镓無法製造P型半（bàn）導體。但京都大（dà）學的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開發出了具有藍寶（bǎo）石結構的GaO常（cháng）關型晶體管（MOSFET）。

圖：常關GaO MOSFET的IV曲線(FLosfia官網)

常關型MOSFET 的第一個α相GaO由N +源/漏極層、p型阱層、柵極絕緣體和電極組成。從IV曲線外推的柵極（jí）閾值電（diàn）壓為7.9V。該器件由新型p型剛玉半導體製成，其起到反型層的作用。團隊（duì）在2016年發現p型氧化銥Ir 2 O3，終於製作出了常（cháng）關GaO MOS。

圖（tú）：常關型GaO MOSFET器件橫（héng）截麵示意圖(FLosfia官網)

圖：常關型GaO MOSFET的光學顯微照片(FLosfia官網)

FLOSFIA總部位於日本（běn）京都，專（zhuān）門從事霧化學氣相（xiàng）沉積（jī）（CVD）成膜。利用氧化镓的物理特性，FLOSFIA致力於開發低損耗（hào）功率器件。該公司成功開發了一種（zhǒng）SBD，其（qí）具有目前可用的任何類（lèi）型的最低特定導（dǎo）通電阻，實現與降低功率相關的技術，比以前減少了90％。

2018年，電裝與FLOSFIA宣布（bù）合作研發新（xīn）一代功率半導體設備,旨在降低電動車用逆變器的能耗（hào）、成本、尺寸及重量。

同樣也（yě）是在2018年，電裝與Flosfia決（jué）定共同開發麵向車載應用的下一代Power半導體材料氧化镓（α相GaO）。據電裝表（biǎo）示（shì），通過這兩家公司對麵向車載的氧化镓（α相GaO）的（de）聯合（hé）開發，電動汽車的主要單元PCU的技術革新指日可待。此技術將對電動汽車（chē）的更（gèng）輕量化發展及節約能源降低耗電（diàn）起到積極作用，從而實現人、車、環境和諧共存。

圖：Flosfia GaO評（píng）估板（集微網）

據EE Times Japan報道，FLOSFIA在2019年12月11日-13日召開的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器（qì）件（jiàn）和評估板，並計劃於2020年進行全球範圍內首次GaO肖（xiāo）特基勢壘二極管的量（liàng）產（chǎn）。FLOSFIA方麵稱目前常關型（xíng）GaO MOSFET的溝道遷移率已遠遠超過了商用SiC，讓這項技術和產品有望應用於需要安全性的各種電（diàn）源中，並有（yǒu）望應用在電（diàn）動汽車和（hé）消費級快充（chōng）中，和SiC擁有同等水平或以（yǐ）上性能的GaO MOSFET價格也會更便宜。Flosfia計劃2021年實現GaO器（qì）件量產，業界正拭（shì）目以待。

（2）Novel Crystal Technology（以下簡（jiǎn）稱NCT）

NCT成立於2015年，公司所采用的方案（àn）是基（jī）於HVPE生長的GaO平麵外延芯片，他們的目標（biāo）是加快超低損耗、低成本β相GaO功率（lǜ）器件的產品開（kāi）發。

資料顯示，NCT已經成功開發，製造（zào）和銷售了直徑最大（dà）為4英寸的氧化（huà）镓晶片。而在2017年11月（yuè），NCT與田村製作所（Tamura Corporation）合作成功（gōng）開發了世界上第一個由氧化镓外延膜製成的溝槽（cáo）型MOS功率晶（jīng）體管，其功（gōng）耗僅為傳統矽MOSFET的（de）1/1000。

圖：氧化镓溝槽MOS型功率（lǜ）晶體管的示意圖(NCT官網)

按照他（tā）們的規劃，從2019財年下半年開始，NCT將開始提供擊穿電（diàn）壓（yā）為650V的β相GaO溝槽型SBD的10-30A樣品。他們還打算從2021年開始推進大規模生產的準備工作。公司還（hái）致（zhì）力於（yú）快速開發100A級別的β相GaO功率器件。

此外，日本早稻田大學（xué）采用FZ法生長出β-Ga2O3單晶。在單晶生長過（guò）程中通入適量O2抑製β-Ga2O3分解，晶體生長速度為1～5mm/h，直徑最大為2.54cm，長度約為50mm。

2、美國

（1）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（yán）究員Gregg Jessen領導的團隊探索了GaO材料的特性，結果（guǒ）顯示，GaO材料的速度和高臨界場強在快速功（gōng）率開關和射頻功率應用中具有顛（diān）覆性的潛力（lì）。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的GaO研究基礎，獲得了首批樣品（pǐn）。

圖（tú）：AFRL製作的2英寸（cùn）帶有（yǒu）GaN外延層的Synoptics 氧化镓晶體管（Compound Semiconductor）

此後，Kelson Chabak接任團隊負責人，他們從唯一的商業供應商Tamura采購了襯底，並聯係了Tamura投資（zī）的NCT購買外延片，同（tóng）時也從德國萊布尼茨晶體（tǐ）生長研究所（IKZ）采購外延片。

Chabak表示：“我們之所以能夠成為該領域的領導者，是因為我們能夠盡早獲得材料”。

AFRL在2016年報告了一個有IKZ外延片製作的MOSFET，該器件在0.6um的G-S漂移區內承載電壓高達230V，意味著平均臨界場強達到了3.8MV/cm，大約是4倍於GaN的臨（lín）界場強，成為了“燎原之火”。

更重要的是，Chabak指出GaO的低熱（rè）導（dǎo）率並（bìng）不會阻礙其成為主流射頻功率器件的（de）因素，並用一些模型證（zhèng）明了倒裝芯片技術和背麵減薄（báo）技術相結合（hé），可以讓器件熱阻達到接近（jìn）SiC的水平。

AFRL目前致力於在短期內突破電子束光（guāng）刻技術引入到製程工藝中，並將晶體管的尺寸降到um以（yǐ）下，這樣將可使器件具（jù）備非常高的（de）速（sù）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GaO外延技術，並（bìng）且資（zī）助了諾（nuò）格公司的子（zǐ）公（gōng）司Synoptics開發GaO的襯底生長技術，當（dāng）各個環節具（jù）備之後，美國將是第二個徹底實（shí）現全產業鏈國產化的國家。

（2）美（měi）國（guó）紐約州立大學布法羅分校（UB）

據外媒報（bào）道，2020年4月，美國紐約州立大學布法羅分校（the University at Buffalo）正在研（yán）發一款基於氧化镓的晶體管，能夠承受8000V以（yǐ）上（shàng）的電壓，而且隻（zhī）有一張紙那麽薄。該團隊在2018年製造了一個由5微米厚（一張紙厚約100微（wēi）米）的氧化镓製成的MOSFET，擊穿電壓為1,850 V。該產品將用（yòng）於製（zhì）造更小、更高效的電子係統，應用在電動汽車、機車和（hé）飛機上。

3、德國

關於德國開展氧化镓研究的報道較少，目前僅看到德國萊布尼（ní）茨晶體生長研究所（IKZ）2009年開（kāi）始研（yán）發和生長GaO晶體，使用（yòng）提拉法，采用銥（yī）金坩（gān）堝，包括活動的銥（yī）金後加（jiā）熱器，生長出的晶體直徑為2英寸，長度為40～65mm，晶（jīng）體的結晶特性較好。此外，其（qí）也為美國AFRL供（gòng）應了GaO外（wài）延片。

4、中國

我國其（qí）實開展氧化镓研究已經十餘年，但是（shì）直到近年（nián）來46所的（de）技（jì）術突破（pò）才實現了距離產業化“一步之遙”，從公開資料能了解到目前（qián）從事GaO材（cái）料和器（qì）件研（yán）究的單位和企業，主要是中電科（kē）46所、西安電子科技大學、上海光機所（suǒ）、上（shàng）海微係統所、複旦（dàn）大（dà）學、南京大學等高校及科研院所，科技成果轉（zhuǎn）化的公司有（yǒu）北（běi）京镓族科技、杭州富加镓業。國（guó）內（nèi）團隊未見關於GaO MOS的報道。

（1）中（zhōng）電科46所（suǒ）

據觀察（chá）者網在2019年2月的報道，中國電科46所經過多年氧化镓晶（jīng）體生長技術探索，通過改進熱場結構、優化（huà）生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生長（zhǎng）過程中原料分解（jiě）、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功在2016年製備出國內第一片高質（zhì）量的2英寸氧化镓（jiā）單晶，在2018年底製備出國內第一片高（gāo）質量的4英寸氧化镓單晶（jīng）。報道指出，中國電科（kē）46所製備的氧化镓單晶的（de）寬度接近100mm，總長度（dù）達到250mm，可加工（gōng）出（chū）4英寸晶圓、3英（yīng）寸晶圓和（hé）2英寸晶圓。這也是目前為止國內唯（wéi）一能夠達到該尺寸的記錄保持者。

（2）西電大學/微係統所

據中國科（kē）學院上海（hǎi）微係統與信息技術研究所報道，在2019年12月（yuè），中國科（kē）學院上海微係統與（yǔ）信息技術研究（jiū）所研究員歐欣課題組和西安（ān）電子科（kē）技大學郝躍課題組教授（shòu）韓根全攜手，在氧（yǎng）化镓功率器件領（lǐng）域取得了新進展。歐欣課題組和韓根全課（kè）題組利用“萬能離子刀（dāo）”智能剝離與轉移技（jì）術（shù），首次（cì）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，並製備出高性能器（qì）件。報道指出，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領（lǐng）域具有裏程碑式的重要意義。首先，異質集成為（wéi）GaO晶圓散熱問題提供了最優解決方案，勢必（bì）推動高性能GaO器件研究的發展；其次，該研究（jiū）將為我（wǒ）國GaO基礎研究和工程（chéng）化提供優（yōu）質的高導熱襯底材料，推（tuī）動GaO在高功率（lǜ）器件領（lǐng）域（yù）的規模化應用。

（3）複旦大學

在2020年6月，複旦（dàn）大學方誌來團（tuán）隊在（zài）p型氧化镓深紫（zǐ）外日盲探測器研究中取得重要進展。報道表示，方誌來團隊采用固-固相變（biàn）原（yuán）位摻雜技術，同時實現了高摻雜濃度、高晶體質量與（yǔ）能帶工程，從而部分解決了氧化镓的p型摻雜困難（nán）問（wèn）題。

（4）北京镓族科技

資料顯示，北京镓族科技有限公司成（chéng）立於2017年年底，是（shì）國（guó）內首家、國際第（dì）二家專（zhuān）業從事第四（sì）代（超寬禁帶）半導體（tǐ）氧化镓材（cái）料開發及（jí）應（yīng）用產業化的高科技公（gōng）司，是北京郵（yóu）電大學的（de）唐為（wéi）華老師從2011年以來致力於氧（yǎng）化镓材料及器件形成（chéng）科研成果的（de）產業化平台。

公司研發和生產基於新型超（chāo）寬（kuān）禁帶半導體（tǐ）材料氧（yǎng）化镓的高質量單晶與外延（yán）襯底、高靈敏度日盲紫（zǐ）外探測器件、高頻大功率器件，已與合作單位一起已（yǐ）經實（shí）現1000V耐壓的肖特基二極管模（mó）型製作，並已經實現5000V耐壓（yā）的MOSFET模型（xíng）製（zhì）作，開（kāi）發出氧化镓基日盲紫外探測器分立器（qì）件和陣列（liè）成像器件，為深紫外光電器件提供了良好解決方（fāng）案，可支持極弱火焰和極弱電弧實（shí）時（shí）檢測等，並已推出係統化模塊。公司已申請40餘項專利（lì），完成了產業中試的前期技術、人員、軟硬件等量產化要（yào）求的所有準（zhǔn）備工作。公司擁有廠（chǎng）房麵積1500平米，涵蓋完整的產業中試產線，具備（bèi）研發和小批量生產能力，初步構建了氧化（huà）單（dān）晶襯底、氧化镓異質/同質外延襯底生產和研發平台。未來將不斷完（wán）善晶體生長、晶體加（jiā）工（gōng）、外延（yán）薄膜（mó）性能測（cè）試、微納加工、聯合研發等六大平台搭建。

（5）杭州（zhōu）富加镓業

據官網信（xìn）息，公司成立於（yú）2019年12月（yuè），注冊資金500萬，是（shì）由（yóu）中國科學院上海光學精密機（jī）械研究所與杭州市富陽區政府共建的“硬科技”產業化平台——杭州光機所孵化（huà）的科技型企業。

富（fù）加镓業專注（zhù）於寬禁（jìn）帶半導體（tǐ）材料研發，公（gōng）司核心創始人具有中科院（yuàn）博士、劍橋（qiáo）大學博士等材料領域的深厚背景，團隊成員主要來自中國科學院、美（měi）英海歸等業內資深人才，研發（fā）人（rén）員中碩士以上比例達到80%；公司廠房麵積八千餘平米，擁（yōng）有多台大尺寸導模法晶體生長爐、多氣氛晶體退火（huǒ）爐、高精密拋光機等儀器設備，為公司的發展提供了基礎支撐和持續（xù）創新動力硬件（jiàn）保證。

富加镓業最初技術來源於中科院上海光機所技術研發團隊，該團隊是我國最早從事氧化镓晶體生長的團隊，從（cóng）04年開始即開展研究。富加镓業專業從（cóng）事氧化镓單晶材料設計、模擬仿真、生長及性能表（biǎo）征等工作，形成了較鮮明的特色和優勢。我們注重知識產權保護和氧化镓相（xiàng）關基礎探索（suǒ）研（yán）究工作，在全球範圍內對氧化镓晶體材料生長及上下遊應用領（lǐng）域的專利進行布局，申請進（jìn）入歐盟、美國、日本、韓國、新（xīn）加坡等（děng）國家（jiā）。團隊的氧化镓晶體材料及器件基礎研（yán）究成果，多篇科研論文已發表在國際頂級學術期刊上（shàng），與全球（qiú）科研工作者（zhě）共享最新研究成果，共（gòng）同推動全球第四代半導體相關行業的發展。

（6）其他

山東大學采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法研究了β相GaO薄膜的生長及其光學性質。北京郵（yóu）電大學、電子科技大學、中山大學也分別獨立開（kāi）展了β相GaO薄膜及日盲紫外（wài）探測器的研究，已取得了一（yī）些重要的研究（jiū）成果，但基本未見（jiàn）在晶體材料方麵（miàn）的相（xiàng）關（guān）報道。

5、其他

印（yìn）度的Raja Ramanna先進技術中心采用類似EFG的方法，生長出直徑5～8mm、長度40～50mm的低（dī）缺陷β相GaO單（dān）晶，（400）麵XRC半高寬約為0.028°。

葡萄（táo）牙聖地亞哥大學采用激光加熱（rè）浮區法生長（zhǎng）出了離子摻雜和非（fēi）摻的低缺陷β相GaO晶體光纖。

隨著電動車和便攜式用電的需求成為（wéi）主流，功率器件的重要（yào）程（chéng）度日益提高，而日本已經明顯在第四代半導體（tǐ）的氧化（huà）镓材料方麵處於領先優勢，日本半導體界也將GaO作為日本半導體產業“複興的鑰匙”，已在國內掀（xiān）起研（yán）發和應用的熱潮（cháo）。與此同時，美國、中（zhōng）國、歐洲等也正在試圖追趕（gǎn），可以想到的是，美日雙方從材料供應到技（jì）術合作必然要比中日合作更加深入，這場功率器件競賽已然拉開帷幕，而中國將可（kě）能獨自前行。

功率半導體的（de）行業特征適合氧化镓器件的爆發式增長

功率半導體（tǐ）用於（yú）所有電力電子領域，市場成熟穩定且增速緩慢。但是，業界對於更大功率（lǜ）（充放電更快）、更（gèng）高效節能（減少發熱更安全環保）、更小體積和重量（更便攜易安裝維（wéi）護）以（yǐ）及更低（dī）成本（更廣闊的應用和市場）的追求是永無止（zhǐ）境的。因此近年來，新能源汽車、可再生能源（yuán）發電、變頻家電、快充等（děng）新（xīn）應用領域迎來了新的巨大增長點。

①行業（yè）特征一：不需要追趕摩爾（ěr）定律，一般使用0.18~0.5um製（zhì）程即可，倚重材料（liào）質量，對材料和器件的生產工藝要求高，因整（zhěng）體趨向集成（chéng）化、模塊化，需要開發新的封裝（zhuāng）設計。

l 設（shè）計環（huán）節：功率半導體電路結構簡單，不需要像數字邏輯芯片在架（jià）構、IP、指令集、設計流程、軟件工具等（děng）投（tóu）入大量資本。

l 製造環節：因不需（xū）要追趕（gǎn）摩爾定律，產線對先進設備依賴（lài）度不高（gāo），整體資本支出較小。

l 封裝環節：可分為分立器（qì）件封（fēng）裝和模塊封裝，由於（yú）功率器件對可靠性要求非常高，需采用特殊（shū）設計和材料，後（hòu）道（dào）加工價值量占比達35%以上，遠高於（yú）普通數（shù）字邏輯芯片的10%。目前，根據在（zài）研項目和產品（pǐn）布局看，國內企業開始向價值量更高的中（zhōng）高端（duān）產品轉型（xíng）。

②行業特征（zhēng）二：功率半導體行業一般采用IDM模式，更適合企業做大做強。上（shàng）遊的襯底、外延企業雖（suī）可以成為單獨環節，但如特征（zhēng）一所述，工（gōng）藝占比很高，芯片設計和製造環節是要（yào）集成在一起的，否則將喪失技術進步的能力，並且產（chǎn）能受到（dào）限製（zhì），因此委外代工僅（jǐn）可作為（wéi）低端產（chǎn）品的（de）產能補充。

③行業（yè）特征三：新能源車等新興應用不斷推動新半導體材料興起。

氧化镓單晶材料在功率電子器件方麵具有極大（dà）的應用潛力。典型的應用領域包括：電動汽車、光伏逆變（biàn）器、高鐵輸電、軍用電磁軌道炮、電磁彈射、全電（diàn）艦艇推進等；除此之外，氧化镓自身即有不（bú）錯的（de）射頻特性，當前由（yóu）於低成本及與GaN的低失配（pèi）的特性，還可用於GaN材料的外（wài）延襯底，GaN及HEMT具有功（gōng）率密度高、體積小、可工作在40GHz等優點，是5G基站攻（gōng）略放大器的首（shǒu）選材料。因（yīn）此（cǐ），5G行（háng）業的迅速發展也將帶動氧化镓單晶襯（chèn）底產業的迅速發展。

新（xīn）能源、5G等新（xīn）興（xìng）應用加（jiā）速第三代和第四代半導體材料產業化需求，我（wǒ）國市場空間（jiān）巨大且有望在該領域（yù）快速（sù）縮短和海外企業的差距。

①天時：第四代材料在高功率、高頻率應用場景具有（yǒu）配（pèi）合第三代半導體取代矽材的潛力，行業整（zhěng）體（tǐ）都處於產業（yè）化起步階段（duàn）。

②地利：受下遊新能源車、5G、快充等新興市場需求以及潛在的矽材替換市場驅動，目前深入研究和產業化方（fāng）向以SiC和（hé）GaN為主，GaO的技（jì）術儲備較（jiào）弱，真正有（yǒu）技術（shù）的（de）公司麵對的競爭壓力小。

③人和：第四代半導體核（hé）心難點在材料製備，材料端（duān）的突破將獲得極大的市場價值，可獲得國家在政策和資金方麵的大力支持。

我國發展氧化镓的機遇與挑戰

從Yole的報道中可以看出（chū），綠色線（xiàn）代表的GaO尺寸以（yǐ）前所未有的斜（xié）率快速增（zēng）長，這（zhè）得（dé）益於其材料可（kě）以通過上文提到（dào）的液相法進行生長，且（qiě）已（yǐ）經（jīng）接（jiē）近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。

矽基材料經過了50年（nián）的（de）發展，達到了目前的12寸。

SiC材料的最大尺寸（cùn）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（qí）尚未導入大規模商業化，產業界剛剛準備規模化生產基於6英寸襯（chèn）底的功率器（qì）件。

由於國內LED產業的高度發展，業（yè）界基於8英寸矽基GaN的功率電子器件發展相對較快。

如此看來，GaO很有可能在尺寸方麵，即大規模製（zhì）造的可能性和成本方麵對上述造成後來者居上的威脅。