氧化镓的产业化与挑战

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氧化镓是继Si、SiC及GaN后的第四代宽禁带半导体材料，是一种性能远超氮化镓的无机化合物，已知晶相共6种，包括α，β，γ 等5 种稳定相和1 个瞬态相κ－Ga2O3，其中β 相为热力学稳定相。Ga2O3熔点约为1793 ℃，高温下其他相均转变为β－Ga2O3，通过熔体法只能生长获得β－Ga2O3单晶。β－Ga2O3在体块单晶生长方面，相对其他晶相具有明显优势。

半导体材料氧化镓具有耐压、电流、功率、损耗等优势，已被国际认可并开启产业化，氧化镓是主要用于功率器件和光电器件领域，其可用于探测日盲紫外光、军用光线探测器、电站、加油站等场景的故障探测，以及功率器件领域。

第三代半导体经过三四十年的发展，已经形成了完整的产业链，向着成本不断降低的方向发展。氧化镓作为第四代半导体材料，在功率器件和光电应用领域有广阔的应用前景，具有独特的材料特性和优势，氧化镓想要获得产业发展，需要材料成本降低、衬底、外延、器件产业链发展完善、出现示范性应用等要素。

2012年日本报道了第一颗氧化镓功率器件，2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片，此后，基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现。我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，产业化进程刚刚起步，但是进展飞速。

中国在氧化镓研究方面也开始得非常早，2000年左右就有单位开展相关研究了。近年来，科研院所在努力深入地探究氧化镓材料的各种特性，需要更丰富的材料来开展研究，而产业界规模化应用则需要大尺寸材料产品来提高效率并降低成本。我国的研究进展集中在科研机构，产业化进程比日本要缓慢，但是比美国要快得多。

然而，氧化镓的热导率较低，需要通过封装等来解决散热问题。

氧化镓产业化的优势

第三代半导体材料性能较好，耐高压，可用于高功率场景，且功率损耗低，具备节能优势。碳化硅功率损耗是硅基的七分之一，氧化镓功率损耗是碳化硅的七分之一，即硅基器件的1/49，可以说是超大幅度节能。

碳化硅常被用作功率器件，在新能源汽车上发挥节电效果。目前市场常用的有铜、金银等贵金属，而更好一些的材料，如石墨烯、氮化铝、金刚石等，散热效果更好，具备优化散热系统潜力。

氧化镓成本很低，是唯一一个可以用熔体法生长的宽禁带半导体材料，其6寸衬底成本三五年内就可以降到1000-1500人民币，大规模生产后可以降到300元，而同样尺寸的碳化硅衬底成本大概在4000-5000元，售价超过7000元。

氧化镓生成晶圆衬底的速度很快，一个小时生长2厘米，是其他材料长速的近100倍。氧化镓响应波长250-300nm，可以用于探测日盲紫外光，目前这个方向受到科研人员的广泛肯定。日盲紫外波段的光线无法透过大气层，可以用该材料当作军用光线探测器。在电站、加油站等场景，故障早期出现电晕放电情况时也会发出这种紫外的光，可以用氧化镓防患于未然。

市场对于功率更高、损耗更低、成本更低、性能更好的器件的追求是永无止尽的。禁带宽度更宽的材料，天然具有更耐高温、耐辐射、耐高压、导通电阻低的特点。氧化镓的禁带宽度为4.9eV，在耐压能力上表现优异。

在耐压能力上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅的击穿场分别为8、3.3、2.5、0.3MV/cm；在评估材料特性的巴利加优值BFOM上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅分别为3440、536、344、1，数值越大，导通特性就越好。

在散热率上，氧化镓的热导率仅0.27w/cm·k，要低于氮化镓、碳化硅、硅。目前市场常用的有铜、金银等贵金属，而更好一些的材料，如石墨烯、氮化铝、金刚石等，散热效果更好，具备优化散热系统潜力。

氧化镓的未来发展及竞争

氧化镓作为一种新型半导体材料，涉及衬底、外延和器件三个环节。在化合物半导体行业中，企业一般只研发其中一个环节，但随着行业的成熟和整合，优势企业会并购各个环节，以保护技术机密和供应链。目前，第三代半导体仍处于野蛮生长状态，但随着示范性应用的出现，第四代半导体的时代将会到来。氧化镓最早可能会在快充和工业电源领域落地，而汽车则会是其未来的爆发点。氧化镓和GaN存在合作的可能，可以在氮化镓上长高品质的氧化镓外延层，但会和碳化硅有一定的竞争。

预计明年会出现一个真正杀手级的应用，可能出现在日本。我们认为最早可能会出现在快充和工业电源上。它的市场门槛比较低，不像汽车，可能需要拿很多资质，如可靠性比较好，而氧化镓的可靠性天然非常好。

氧化镓和GaN的晶格失配很小，可以在氮化镓上长高品质的氧化镓外延层，有很多团队都在做这方面工作，也进行了相关报道，只要氧化镓成本降下来，有成为继Si和蓝宝石以后的第三种平台型衬底材料的潜力，相当于可以借着氮化镓发展，这是一个可以合作的点，但会和碳化硅有一定的竞争，都在力争挑战硅基器件的传统地位。

品质提升需解决材料提纯和生产条件控制问题。氧化镓材料评价标准包括XRD测晶体质量、单晶完整性和缺陷密度。氧化镓器件公司面临产线稀缺和设备成本高的挑战，但现有硅产线可改造。国内氧化镓研究团队多，但创业企业少，需要国家支持。

国内的政策支持

主要的研究团队:氧化镓基片晶圆和器件的开发制造商脱颖而出，领先企业主要为三家公司，分别是美国凯马科技，京都大学的FLOSFIA和日本新晶科技公司。2011年日本的田村公司研发出氧化镓单晶，并进行了UVLED、紫外探测器的研发。另根据公开的资料显示，田村在2017年的日本高新技术博览会上推出了氧化镓SBD功率器件。美国在2018年也开始了对氧化镓材料的研究。

据了解，目前我国从事氧化镓材料和器件研究单位，主要是中电科46所、西安电子科技大学、山东大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、南京邮电大学等高校及科研院所；企业方面有铭镓半导体、深圳进化半导体、北京镓族科技、杭州富加镓业、苏州镓和、苏州镓耀等。其实，近几年氧化镓的初创企业发展也比较迅速，很多初创公司开始涉及氧化镓材料与器件等业务。

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