目前，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體受到廣泛的關(guān)注，人們對(duì)SiC在新能源汽車、電力能源等大功率、高溫、高壓場(chǎng)合，以及GaN在快充領(lǐng)域的應(yīng)用前景寄予厚望，學(xué)術(shù)界、投資界和產(chǎn)業(yè)界都認(rèn)可其將發(fā)揮傳統(tǒng)硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的作用。

然而，SiC 和 GaN 并不是終點(diǎn)，近年來(lái)日本對(duì)氧化鎵(Ga2O3，后簡(jiǎn)稱GaO，與GaN對(duì)照)的研究屢次取得進(jìn)展，使這種第四代半導(dǎo)體的代表材料走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優(yōu)的特性，以及極低的制造成本，在功率應(yīng)用方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，近幾年關(guān)于氧化鎵的研究又熱了起來(lái)。

實(shí)際上，氧化鎵并不是很新的技術(shù)，一直以來(lái)都有公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行鉆研。但受限于材料供應(yīng)被日本兩家公司壟斷，研究受到比較大的阻礙，相關(guān)研發(fā)工作的風(fēng)頭都被后二者搶去。而隨著應(yīng)用需求的發(fā)展愈加明朗，未來(lái)對(duì)高功率器件的性能要求越來(lái)越高，人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢(shì)和前景，相應(yīng)的研發(fā)工作又多了起來(lái)，氧化鎵已成為美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)。另一方面，我國(guó)在這方面的研究仍比較欠缺，在日本已經(jīng)可以推出批量產(chǎn)品、我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)每年翻倍的當(dāng)下，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化程度仍處于非常初級(jí)的階段。

氧化鎵材料的特性

氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時(shí)也是一種半導(dǎo)體化合物。其結(jié)晶形態(tài)截至目前已確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩(wěn)定。

圖：β相氧化鎵晶體結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)）

業(yè)界與GaO的結(jié)晶生長(zhǎng)及物性相關(guān)的研究報(bào)告大部分都使用β相，國(guó)內(nèi)也普遍使用β相展開(kāi)研發(fā)。β相具備名為“β-gallia”的單結(jié)晶構(gòu)造。β相的帶隙很大，達(dá)到4.8～4.9eV，這一數(shù)值為Si的4倍多，而且也超過(guò)了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情況下，帶隙較大，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)很大。β相的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度估計(jì)為8MV/cm左右，達(dá)到Si的20多倍，相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上，目前已有研究機(jī)構(gòu)實(shí)際做出來(lái)6.8MV/cm的器件。

圖：半導(dǎo)體材料特性（郝躍院士）

β相在展現(xiàn)出色的物性參數(shù)的同時(shí)，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導(dǎo)熱率低，以及難以制造p型半導(dǎo)體。不過(guò)，目前研究表明這些方面對(duì)功率元件的特性不會(huì)有太大的影響。之所以說(shuō)遷移率低不會(huì)有太大問(wèn)題，是因?yàn)楣β试男阅芎艽蟪潭壬先Q于擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。就β相而言，作為低損失性指標(biāo)的“巴利加優(yōu)值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。巴加利優(yōu)值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。

Baliga性能指數(shù)是由原在美國(guó)General Electric從事多年功率半導(dǎo)體研發(fā)工作、現(xiàn)在美國(guó)北卡羅萊納州州立大學(xué)擔(dān)任名譽(yù)教授的Jayant Baliga先生提出的，用于Power MOS FET等單極元件(Unipolar Device)的性能評(píng)價(jià)。有將低頻的理論損耗定量化的“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和將高頻的理論損耗定量化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半導(dǎo)體的研發(fā)領(lǐng)域，一般多實(shí)用低頻的BFOM。

圖：功率半導(dǎo)體材料對(duì)比（半導(dǎo)體行業(yè)觀察譯自PC.watch）

由于β相的巴利加優(yōu)值較高，因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時(shí)，元件的導(dǎo)通電阻比采用 SiC 或 GaN 的低很多，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時(shí)的電力損耗。使用β相的功率器件，不僅能減少導(dǎo)通時(shí)的電力損耗，還可降低開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗，因?yàn)樵谀蛪?1kV 以上的高耐壓應(yīng)用方面，可以使用單極元件。

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

比如，設(shè)有利用保護(hù)膜來(lái)減輕電場(chǎng)向柵極集中的單極晶體管(MOSFET)，其耐壓可達(dá)到 3k～4kV。而使用硅的話，在耐壓為 1kV 時(shí)就必須使用雙極元件，即便使用耐壓較高的 SiC，在耐壓為 4kV 時(shí)也必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴為載流子，與只以電子為載流子的單極元件相比，在導(dǎo)通和截止的開(kāi)關(guān)操作時(shí)，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會(huì)耗費(fèi)時(shí)間，損失容易變大。

在熱導(dǎo)率方面，如果該參數(shù)低，功率器件很難在高溫下工作。不過(guò)，實(shí)際應(yīng)用中的工作溫度一般不會(huì)超過(guò) 250℃，因此，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中不會(huì)在這方面出現(xiàn)大的問(wèn)題。由于封裝有功率器件的模塊和電源電路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹(shù)脂等的耐熱溫度最高也不過(guò) 250℃，因此功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。

再?gòu)牧硪粋€(gè)角度看，易于制造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩(wěn)定性也推動(dòng)了GaO器件的發(fā)展。相關(guān)論文表示，用Si或Sn對(duì)GaO進(jìn)行N型摻雜時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)良好的可控性。

盡管某些UWBG半導(dǎo)體（例如氮化鋁AlN，立方氮化硼c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了GaO，但它們的材料制備、器件加工等環(huán)節(jié)受到了嚴(yán)格的限制。換而言之，AlN、c-BN和金剛石仍然缺乏大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)積累。

圖：關(guān)鍵材料（Si,SiC,GaN,GaO）特性對(duì)比（IEEE）

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從數(shù)據(jù)上看，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，即在SiC比Si已經(jīng)降低86%損耗的基礎(chǔ)上，再降低86%的損耗，這讓產(chǎn)業(yè)界人士對(duì)其未來(lái)有很高的期待。

圖：GaO成本構(gòu)成（Compound Semiconductor）

而成本更是讓其成為一個(gè)吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的另一個(gè)重要因素。

SiC晶錠的制作普遍采用PVT法，將固態(tài)SiC加熱至2500℃升華后再在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)晶，核心難點(diǎn)在于：

1）加熱溫度高達(dá)2500℃，且SiC生長(zhǎng)速度很慢（<1mm>

2）生長(zhǎng)出的晶錠尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于Si；

3）對(duì)籽晶要求很高，需要具備高質(zhì)量、與所需晶體直徑一致等特點(diǎn)；

4）SiC晶錠硬度較高，加工及拋光難度大；

基于SiC襯底，普遍采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）獲得高質(zhì)量外延層，隨后在外延層上進(jìn)行功率器件的制造。由于SiC襯底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度，會(huì)進(jìn)一步干擾外延層生長(zhǎng)，外延層本身也會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶缺陷，影響后續(xù)器件性能。

GaO和藍(lán)寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀（Bulk）單結(jié)晶狀態(tài)。實(shí)際上，通過(guò)運(yùn)用與藍(lán)寶石晶圓生產(chǎn)技術(shù)相同的導(dǎo)模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已試做出最大直徑為6英寸（150mm）的晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶圓已經(jīng)開(kāi)始銷售作研究開(kāi)發(fā)方向的用途。這種工藝的特點(diǎn)是良品率高、成本低廉、生長(zhǎng)速度快、生長(zhǎng)晶體尺寸大。

另一家Flosfia使用的“霧化法”已制作出4英寸（100mm）的α相晶圓，成本已接近于硅。而碳化硅（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）材料目前只能使用“氣相法”進(jìn)行制備，未來(lái)成本也將繼續(xù)受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對(duì)于 GaO來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量與大尺寸的天然襯底，相對(duì)于目前采用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術(shù)，將具備獨(dú)特且顯著的成本優(yōu)勢(shì)。

氧化鎵的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

因?yàn)閾碛腥绱硕嗟膬?yōu)勢(shì)，氧化鎵被看作一個(gè)比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術(shù)。

據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司--富士經(jīng)濟(jì)于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導(dǎo)體元件的全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)來(lái)看，2030年氧化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！

在SiC或GaN方面，從產(chǎn)業(yè)鏈分工的角度來(lái)看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底→外延→器件→模塊垂直供應(yīng)的體系。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購(gòu)買襯底，隨后自行進(jìn)行外延生長(zhǎng)并制作器件及模塊。

在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發(fā)全球領(lǐng)先。不過(guò)研究氧化鎵功率元件并進(jìn)行開(kāi)發(fā)的并不是上述范疇的大中型功率半導(dǎo)體企業(yè)，而是初創(chuàng)企業(yè)。

1、日本

據(jù)日本媒體2020年9月報(bào)道，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）正準(zhǔn)備為致力于開(kāi)發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營(yíng)企業(yè)和大學(xué)提供財(cái)政支持。METI將為2021年留出大約2030萬(wàn)美元的資金，預(yù)計(jì)未來(lái)5年的投資額將超過(guò)8560萬(wàn)美元。METI認(rèn)為，日本公司將能夠在本世紀(jì)20年代末開(kāi)始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應(yīng)基于氧化鎵的半導(dǎo)體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬(wàn)噸二氧化碳的排放。

資料顯示， 日本功率元件方向的氧化鎵研發(fā)始于以下三位：日本國(guó)立信息通信技術(shù)研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的東脅正高先生、京都大學(xué)的藤田靜雄教授、田村（Tamura）制作所的倉(cāng)又朗人先生。

NICT的東脅先生于2010年3月結(jié)束在美國(guó)大學(xué)的赴任并返回日本，以氧化鎵功率元件作為新的研發(fā)主題并進(jìn)行構(gòu)想。

京都大學(xué)的藤田教授于2008年發(fā)布了氧化鎵深紫外線檢測(cè)和Schottky Barrier Junction、藍(lán)寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長(zhǎng)（Epitaxial Growth）等研發(fā)成果后，又通過(guò)利用獨(dú)自研發(fā)的“霧化法”薄膜生產(chǎn)技術(shù)（Mist CVD法）致力于研發(fā)功率元件。

倉(cāng)又先生在田村（Tamura）制作所負(fù)責(zé)研發(fā)LED方向的氧化鎵單晶晶圓，并將應(yīng)用在功率半導(dǎo)體方向。

三人的接觸與新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）于2011年度提出的“節(jié)能革新技術(shù)開(kāi)發(fā)事業(yè)—挑戰(zhàn)研發(fā)（事前研發(fā)一體型）、超耐高壓氧化鎵功率元件的研發(fā)”這一委托研發(fā)事業(yè)有一定關(guān)聯(lián)，接受委托的是NICT、京都大學(xué)、田村制作所等?？梢哉f(shuō)，由這一委托開(kāi)啟了GaO功率元件的正式研發(fā)。

2011年，京都大學(xué)投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡(jiǎn)稱“NCT”?，F(xiàn)在，兩家公司都是日本氧化鎵研發(fā)的中堅(jiān)企業(yè)，必須強(qiáng)調(diào)的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產(chǎn)GaO材料及器件的企業(yè)，整個(gè)業(yè)界已經(jīng)呈現(xiàn)出“All Japan”的景象。

（1）Flosfia

2011年由京都大學(xué)投資成立，在2017年獲得B輪融資750萬(wàn)歐元（500萬(wàn)英鎊），2018年三菱重工和電裝等大企業(yè)已經(jīng)聯(lián)名參與了其C輪融資，累計(jì)融資接近5億人民幣。

在對(duì)成本要求嚴(yán)格的電動(dòng)汽車、“廉價(jià)化”的家電等數(shù)碼機(jī)器方面，碳化硅和氮化鎵即使性能卓越，制造商也難以接受其價(jià)格，成本問(wèn)題阻礙著產(chǎn)業(yè)界對(duì)新半導(dǎo)體的材料的導(dǎo)入。 FLOSFIA公司的“噴霧干燥法”（MistDry）先將氧化鎵溶解于某種幾十種配方混合而成的溶液里，然后將溶液以霧狀噴在藍(lán)寶石襯底上，在藍(lán)寶石基板上的溶液干燥之前，就形成了氧化鎵結(jié)晶。這樣通過(guò)從液態(tài)直接獲得GaO襯底，不需要高溫、超潔凈的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了超低成本制造GaO。

圖：MistCVD原理圖（ Electronics Weekly）

這種溶液常溫下是液體，蒸發(fā)溫度不需要達(dá)到1,500度，幾百度就足夠，而且制作結(jié)晶的環(huán)境是在常溫空氣中，沒(méi)有任何高成本的環(huán)節(jié)。如果考慮做小尺寸，有望可以制造出和硅同樣價(jià)格、比硅性能更好的半導(dǎo)體。

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

從官網(wǎng)可以看到，公司在2015年所首發(fā)的肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）已經(jīng)送樣，而其521V耐壓器件的導(dǎo)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(jiàn)證新材料器件的優(yōu)勢(shì)。

圖：Flosfia制作的超低導(dǎo)通電阻SBD(FLosfia官網(wǎng))

因?yàn)椴牧蠈傩缘脑?，有專家認(rèn)為用氧化鎵無(wú)法制造P型半導(dǎo)體。但京都大學(xué)的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開(kāi)發(fā)出了具有藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的GaO常關(guān)型晶體管（MOSFET）。

圖：常關(guān)GaO MOSFET的IV曲線(FLosfia官網(wǎng))

常關(guān)型MOSFET 的第一個(gè)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曲線外推的柵極閾值電壓為7.9V。該器件由新型p型剛玉半導(dǎo)體制成，其起到反型層的作用。團(tuán)隊(duì)在2016年發(fā)現(xiàn)p型氧化銥Ir 2 O3，終于制作出了常關(guān)GaO MOS。

圖：常關(guān)型GaO MOSFET器件橫截面示意圖(FLosfia官網(wǎng))

圖：常關(guān)型GaO MOSFET的光學(xué)顯微照片(FLosfia官網(wǎng))

FLOSFIA總部位于日本京都，專門(mén)從事霧化學(xué)氣相沉積（CVD）成膜。利用氧化鎵的物理特性，F(xiàn)LOSFIA致力于開(kāi)發(fā)低損耗功率器件。該公司成功開(kāi)發(fā)了一種SBD，其具有目前可用的任何類型的最低特定導(dǎo)通電阻，實(shí)現(xiàn)與降低功率相關(guān)的技術(shù)，比以前減少了90％。

2018年，電裝與FLOSFIA宣布合作研發(fā)新一代功率半導(dǎo)體設(shè)備,旨在降低電動(dòng)車用逆變器的能耗、成本、尺寸及重量。

同樣也是在2018年，電裝與Flosfia決定共同開(kāi)發(fā)面向車載應(yīng)用的下一代Power半導(dǎo)體材料氧化鎵（α相GaO）。據(jù)電裝表示，通過(guò)這兩家公司對(duì)面向車載的氧化鎵（α相GaO）的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，電動(dòng)汽車的主要單元PCU的技術(shù)革新指日可待。此技術(shù)將對(duì)電動(dòng)汽車的更輕量化發(fā)展及節(jié)約能源降低耗電起到積極作用，從而實(shí)現(xiàn)人、車、環(huán)境和諧共存。

圖：Flosfia GaO評(píng)估板（集微網(wǎng)）

據(jù)EE Times Japan報(bào)道，F(xiàn)LOSFIA在2019年12月11日-13日召開(kāi)的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器件和評(píng)估板，并計(jì)劃于2020年進(jìn)行全球范圍內(nèi)首次GaO肖特基勢(shì)壘二極管的量產(chǎn)。FLOSFIA方面稱目前常關(guān)型GaO MOSFET的溝道遷移率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了商用SiC，讓這項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品有望應(yīng)用于需要安全性的各種電源中，并有望應(yīng)用在電動(dòng)汽車和消費(fèi)級(jí)快充中，和SiC擁有同等水平或以上性能的GaO MOSFET價(jià)格也會(huì)更便宜。Flosfia計(jì)劃2021年實(shí)現(xiàn)GaO器件量產(chǎn)，業(yè)界正拭目以待。

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

NCT成立于2015年，公司所采用的方案是基于HVPE生長(zhǎng)的GaO平面外延芯片，他們的目標(biāo)是加快超低損耗、低成本β相GaO功率器件的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

資料顯示，NCT已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)，制造和銷售了直徑最大為4英寸的氧化鎵晶片。而在2017年11月，NCT與田村制作所（Tamura Corporation）合作成功開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)由氧化鎵外延膜制成的溝槽型MOS功率晶體管，其功耗僅為傳統(tǒng)硅MOSFET的1/1000。

圖：氧化鎵溝槽MOS型功率晶體管的示意圖(NCT官網(wǎng))

按照他們的規(guī)劃，從2019財(cái)年下半年開(kāi)始，NCT將開(kāi)始提供擊穿電壓為650V的β相GaO溝槽型SBD的10-30A樣品。他們還打算從2021年開(kāi)始推進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作。公司還致力于快速開(kāi)發(fā)100A級(jí)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(zhǎng)出β-Ga2O3單晶。在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中通入適量O2抑制β-Ga2O3分解，晶體生長(zhǎng)速度為1～5mm/h，直徑最大為2.54cm，長(zhǎng)度約為50mm。

2、美國(guó)

（1）空軍研究室（AFRL）

美國(guó)空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)探索了GaO材料的特性，結(jié)果顯示，GaO材料的速度和高臨界場(chǎng)強(qiáng)在快速功率開(kāi)關(guān)和射頻功率應(yīng)用中具有顛覆性的潛力。在這個(gè)成果的激勵(lì)下，Jessen建立了美國(guó)的GaO研究基礎(chǔ)，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）

此后，Kelson Chabak接任團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，他們從唯一的商業(yè)供應(yīng)商Tamura采購(gòu)了襯底，并聯(lián)系了Tamura投資的NCT購(gòu)買外延片，同時(shí)也從德國(guó)萊布尼茨晶體生長(zhǎng)研究所（IKZ）采購(gòu)?fù)庋悠?/p>

Chabak表示：“我們之所以能夠成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，是因?yàn)槲覀兡軌虮M早獲得材料”。

AFRL在2016年報(bào)告了一個(gè)有IKZ外延片制作的MOSFET，該器件在0.6um的G-S漂移區(qū)內(nèi)承載電壓高達(dá)230V，意味著平均臨界場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了3.8MV/cm，大約是4倍于GaN的臨界場(chǎng)強(qiáng)，成為了“燎原之火”。

更重要的是，Chabak指出GaO的低熱導(dǎo)率并不會(huì)阻礙其成為主流射頻功率器件的因素，并用一些模型證明了倒裝芯片技術(shù)和背面減薄技術(shù)相結(jié)合，可以讓器件熱阻達(dá)到接近SiC的水平。

AFRL目前致力于在短期內(nèi)突破電子束光刻技術(shù)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(kāi)關(guān)應(yīng)用的有力競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。

AFRL正在試圖突破GaO外延技術(shù)，并且資助了諾格公司的子公司Synoptics開(kāi)發(fā)GaO的襯底生長(zhǎng)技術(shù)，當(dāng)各個(gè)環(huán)節(jié)具備之后，美國(guó)將是第二個(gè)徹底實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化的國(guó)家。

（2）美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校（UB）

據(jù)外媒報(bào)道，2020年4月，美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校（the University at Buffalo）正在研發(fā)一款基于氧化鎵的晶體管，能夠承受8000V以上的電壓，而且只有一張紙那么薄。該團(tuán)隊(duì)在2018年制造了一個(gè)由5微米厚（一張紙厚約100微米）的氧化鎵制成的MOSFET，擊穿電壓為1,850 V。該產(chǎn)品將用于制造更小、更高效的電子系統(tǒng)，應(yīng)用在電動(dòng)汽車、機(jī)車和飛機(jī)上。

3、德國(guó)

關(guān)于德國(guó)開(kāi)展氧化鎵研究的報(bào)道較少，目前僅看到德國(guó)萊布尼茨晶體生長(zhǎng)研究所（IKZ）2009年開(kāi)始研發(fā)和生長(zhǎng)GaO晶體，使用提拉法，采用銥金坩堝，包括活動(dòng)的銥金后加熱器，生長(zhǎng)出的晶體直徑為2英寸，長(zhǎng)度為40～65mm，晶體的結(jié)晶特性較好。此外，其也為美國(guó)AFRL供應(yīng)了GaO外延片。

4、中國(guó)

我國(guó)其實(shí)開(kāi)展氧化鎵研究已經(jīng)十余年，但是直到近年來(lái)46所的技術(shù)突破才實(shí)現(xiàn)了距離產(chǎn)業(yè)化“一步之遙”，從公開(kāi)資料能了解到目前從事GaO材料和器件研究的單位和企業(yè)，主要是中電科46所、西安電子科技大學(xué)、上海光機(jī)所、上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)等高校及科研院所，科技成果轉(zhuǎn)化的公司有北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)。國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)未見(jiàn)關(guān)于GaO MOS的報(bào)道。

（1）中電科46所

據(jù)觀察者網(wǎng)在2019年2月的報(bào)道，中國(guó)電科46所經(jīng)過(guò)多年氧化鎵晶體生長(zhǎng)技術(shù)探索，通過(guò)改進(jìn)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長(zhǎng)氣氛和晶體生長(zhǎng)工藝，有效解決了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中原料分解、多晶形成、晶體開(kāi)裂等問(wèn)題，采用導(dǎo)模法成功在2016年制備出國(guó)內(nèi)第一片高質(zhì)量的2英寸氧化鎵單晶，在2018年底制備出國(guó)內(nèi)第一片高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。報(bào)道指出，中國(guó)電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm，總長(zhǎng)度達(dá)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(guó)內(nèi)唯一能夠達(dá)到該尺寸的記錄保持者。

（2）西電大學(xué)/微系統(tǒng)所

據(jù)中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所報(bào)道，在2019年12月，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學(xué)郝躍課題組教授韓根全攜手，在氧化鎵功率器件領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬(wàn)能離子刀”智能剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，首次將晶圓級(jí)β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導(dǎo)熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級(jí)集成，并制備出高性能器件。報(bào)道指出，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領(lǐng)域具有里程碑式的重要意義。首先，異質(zhì)集成為GaO晶圓散熱問(wèn)題提供了最優(yōu)解決方案，勢(shì)必推動(dòng)高性能GaO器件研究的發(fā)展；其次，該研究將為我國(guó)GaO基礎(chǔ)研究和工程化提供優(yōu)質(zhì)的高導(dǎo)熱襯底材料，推動(dòng)GaO在高功率器件領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。

（3）復(fù)旦大學(xué)

在2020年6月，復(fù)旦大學(xué)方志來(lái)團(tuán)隊(duì)在p型氧化鎵深紫外日盲探測(cè)器研究中取得重要進(jìn)展。報(bào)道表示，方志來(lái)團(tuán)隊(duì)采用固-固相變?cè)粨诫s技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高摻雜濃度、高晶體質(zhì)量與能帶工程，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問(wèn)題。

（4）北京鎵族科技

資料顯示，北京鎵族科技有限公司成立于2017年年底，是國(guó)內(nèi)首家、國(guó)際第二家專業(yè)從事第四代（超寬禁帶）半導(dǎo)體氧化鎵材料開(kāi)發(fā)及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的高科技公司，是北京郵電大學(xué)的唐為華老師從2011年以來(lái)致力于氧化鎵材料及器件形成科研成果的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)。

公司研發(fā)和生產(chǎn)基于新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵的高質(zhì)量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測(cè)器件、高頻大功率器件，已與合作單位一起已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1000V耐壓的肖特基二極管模型制作，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)5000V耐壓的MOSFET模型制作，開(kāi)發(fā)出氧化鎵基日盲紫外探測(cè)器分立器件和陣列成像器件，為深紫外光電器件提供了良好解決方案，可支持極弱火焰和極弱電弧實(shí)時(shí)檢測(cè)等，并已推出系統(tǒng)化模塊。公司已申請(qǐng)40余項(xiàng)專利，完成了產(chǎn)業(yè)中試的前期技術(shù)、人員、軟硬件等量產(chǎn)化要求的所有準(zhǔn)備工作。公司擁有廠房面積1500平米，涵蓋完整的產(chǎn)業(yè)中試產(chǎn)線，具備研發(fā)和小批量生產(chǎn)能力，初步構(gòu)建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質(zhì)/同質(zhì)外延襯底生產(chǎn)和研發(fā)平臺(tái)。未來(lái)將不斷完善晶體生長(zhǎng)、晶體加工、外延薄膜性能測(cè)試、微納加工、聯(lián)合研發(fā)等六大平臺(tái)搭建。

（5）杭州富加鎵業(yè)

據(jù)官網(wǎng)信息，公司成立于2019年12月，注冊(cè)資金500萬(wàn)，是由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所與杭州市富陽(yáng)區(qū)政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)——杭州光機(jī)所孵化的科技型企業(yè)。

富加鎵業(yè)專注于寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)，公司核心創(chuàng)始人具有中科院博士、劍橋大學(xué)博士等材料領(lǐng)域的深厚背景，團(tuán)隊(duì)成員主要來(lái)自中國(guó)科學(xué)院、美英海歸等業(yè)內(nèi)資深人才，研發(fā)人員中碩士以上比例達(dá)到80%；公司廠房面積八千余平米，擁有多臺(tái)大尺寸導(dǎo)模法晶體生長(zhǎng)爐、多氣氛晶體退火爐、高精密拋光機(jī)等儀器設(shè)備，為公司的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支撐和持續(xù)創(chuàng)新動(dòng)力硬件保證。

富加鎵業(yè)最初技術(shù)來(lái)源于中科院上海光機(jī)所技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)是我國(guó)最早從事氧化鎵晶體生長(zhǎng)的團(tuán)隊(duì)，從04年開(kāi)始即開(kāi)展研究。富加鎵業(yè)專業(yè)從事氧化鎵單晶材料設(shè)計(jì)、模擬仿真、生長(zhǎng)及性能表征等工作，形成了較鮮明的特色和優(yōu)勢(shì)。我們注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和氧化鎵相關(guān)基礎(chǔ)探索研究工作，在全球范圍內(nèi)對(duì)氧化鎵晶體材料生長(zhǎng)及上下游應(yīng)用領(lǐng)域的專利進(jìn)行布局，申請(qǐng)進(jìn)入歐盟、美國(guó)、日本、韓國(guó)、新加坡等國(guó)家。團(tuán)隊(duì)的氧化鎵晶體材料及器件基礎(chǔ)研究成果，多篇科研論文已發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上，與全球科研工作者共享最新研究成果，共同推動(dòng)全球第四代半導(dǎo)體相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

（6）其他

山東大學(xué)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法研究了β相GaO薄膜的生長(zhǎng)及其光學(xué)性質(zhì)。北京郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)、中山大學(xué)也分別獨(dú)立開(kāi)展了β相GaO薄膜及日盲紫外探測(cè)器的研究，已取得了一些重要的研究成果，但基本未見(jiàn)在晶體材料方面的相關(guān)報(bào)道。

5、其他

印度的Raja Ramanna先進(jìn)技術(shù)中心采用類似EFG的方法，生長(zhǎng)出直徑5～8mm、長(zhǎng)度40～50mm的低缺陷β相GaO單晶，（400）面XRC半高寬約為0.028°。

葡萄牙圣地亞哥大學(xué)采用激光加熱浮區(qū)法生長(zhǎng)出了離子摻雜和非摻的低缺陷β相GaO晶體光纖。

隨著電動(dòng)車和便攜式用電的需求成為主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已經(jīng)明顯在第四代半導(dǎo)體的氧化鎵材料方面處于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，日本半導(dǎo)體界也將GaO作為日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“復(fù)興的鑰匙”，已在國(guó)內(nèi)掀起研發(fā)和應(yīng)用的熱潮。與此同時(shí)，美國(guó)、中國(guó)、歐洲等也正在試圖追趕，可以想到的是，美日雙方從材料供應(yīng)到技術(shù)合作必然要比中日合作更加深入，這場(chǎng)功率器件競(jìng)賽已然拉開(kāi)帷幕，而中國(guó)將可能獨(dú)自前行。

功率半導(dǎo)體的行業(yè)特征適合氧化鎵器件的爆發(fā)式增長(zhǎng)

功率半導(dǎo)體用于所有電力電子領(lǐng)域，市場(chǎng)成熟穩(wěn)定且增速緩慢。但是，業(yè)界對(duì)于更大功率（充放電更快）、更高效節(jié)能（減少發(fā)熱更安全環(huán)保）、更小體積和重量（更便攜易安裝維護(hù)）以及更低成本（更廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)）的追求是永無(wú)止境的。因此近年來(lái)，新能源汽車、可再生能源發(fā)電、變頻家電、快充等新應(yīng)用領(lǐng)域迎來(lái)了新的巨大增長(zhǎng)點(diǎn)。

①行業(yè)特征一：不需要追趕摩爾定律，一般使用0.18~0.5um制程即可，倚重材料質(zhì)量，對(duì)材料和器件的生產(chǎn)工藝要求高，因整體趨向集成化、模塊化，需要開(kāi)發(fā)新的封裝設(shè)計(jì)。

l 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：功率半導(dǎo)體電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要像數(shù)字邏輯芯片在架構(gòu)、IP、指令集、設(shè)計(jì)流程、軟件工具等投入大量資本。

l 制造環(huán)節(jié)：因不需要追趕摩爾定律，產(chǎn)線對(duì)先進(jìn)設(shè)備依賴度不高，整體資本支出較小。

l 封裝環(huán)節(jié)：可分為分立器件封裝和模塊封裝，由于功率器件對(duì)可靠性要求非常高，需采用特殊設(shè)計(jì)和材料，后道加工價(jià)值量占比達(dá)35%以上，遠(yuǎn)高于普通數(shù)字邏輯芯片的10%。目前，根據(jù)在研項(xiàng)目和產(chǎn)品布局看，國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)始向價(jià)值量更高的中高端產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。

②行業(yè)特征二：功率半導(dǎo)體行業(yè)一般采用IDM模式，更適合企業(yè)做大做強(qiáng)。上游的襯底、外延企業(yè)雖可以成為單獨(dú)環(huán)節(jié)，但如特征一所述，工藝占比很高，芯片設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)是要集成在一起的，否則將喪失技術(shù)進(jìn)步的能力，并且產(chǎn)能受到限制，因此委外代工僅可作為低端產(chǎn)品的產(chǎn)能補(bǔ)充。

③行業(yè)特征三：新能源車等新興應(yīng)用不斷推動(dòng)新半導(dǎo)體材料興起。

氧化鎵單晶材料在功率電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括：電動(dòng)汽車、光伏逆變器、高鐵輸電、軍用電磁軌道炮、電磁彈射、全電艦艇推進(jìn)等；除此之外，氧化鎵自身即有不錯(cuò)的射頻特性，當(dāng)前由于低成本及與GaN的低失配的特性，還可用于GaN材料的外延襯底，GaN及HEMT具有功率密度高、體積小、可工作在40GHz等優(yōu)點(diǎn)，是5G基站攻略放大器的首選材料。因此，5G行業(yè)的迅速發(fā)展也將帶動(dòng)氧化鎵單晶襯底產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

新能源、5G等新興應(yīng)用加速第三代和第四代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化需求，我國(guó)市場(chǎng)空間巨大且有望在該領(lǐng)域快速縮短和海外企業(yè)的差距。

①天時(shí)：第四代材料在高功率、高頻率應(yīng)用場(chǎng)景具有配合第三代半導(dǎo)體取代硅材的潛力，行業(yè)整體都處于產(chǎn)業(yè)化起步階段。

②地利：受下游新能源車、5G、快充等新興市場(chǎng)需求以及潛在的硅材替換市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，目前深入研究和產(chǎn)業(yè)化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術(shù)儲(chǔ)備較弱，真正有技術(shù)的公司面對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)壓力小。

③人和：第四代半導(dǎo)體核心難點(diǎn)在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場(chǎng)價(jià)值，可獲得國(guó)家在政策和資金方面的大力支持。

我國(guó)發(fā)展氧化鎵的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

從Yole的報(bào)道中可以看出，綠色線代表的GaO尺寸以前所未有的斜率快速增長(zhǎng)，這得益于其材料可以通過(guò)上文提到的液相法進(jìn)行生長(zhǎng)，且已經(jīng)接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。

硅基材料經(jīng)過(guò)了50年的發(fā)展，達(dá)到了目前的12寸。

SiC材料的最大尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的美國(guó)Cree公司所推出的8英寸襯底樣品，其尚未導(dǎo)入大規(guī)模商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)界剛剛準(zhǔn)備規(guī)模化生產(chǎn)基于6英寸襯底的功率器件。

由于國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展，業(yè)界基于8英寸硅基GaN的功率電子器件發(fā)展相對(duì)較快。

如此看來(lái)，GaO很有可能在尺寸方面，即大規(guī)模制造的可能性和成本方面對(duì)上述造成后來(lái)者居上的威脅。