第四代半導體雖潛力股眾多，但氧化鎵卻是“天賦型”選手，將與碳化硅同爭輝
近日，中科大國家示范性微電子學院龍世兵教授課題組兩篇關于氧化鎵器件的研究論文（高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測器）成功被大會接收。
中國科學院院士郝躍表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。業內普遍認為，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導體材料的代表。目前，各國的半導體企業都爭先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導體材料界一顆冉冉升起的新星。
公開資料顯示，氧化鎵擁有超寬帶隙（4.2-4.9eV）、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、超強透明導電性等優異物理性能，導通特性約為碳化硅的10倍，理論擊穿場強約為碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發電等領域在能源方面的消耗。
據NCT預測，到2030年氧化鎵晶圓的市場將達到約590億日元（約4.2億美元）。有數據顯示，到2030年，氧化鎵功率半導體市場規模將達15億美元。
出道即巔峰
第四代半導體材料有不少“潛力股”，但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）之后最具市場潛力的材料，很有可能在未來10年左右稱霸市場。
氧化鎵有5種同分異構體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩定，當加熱至1000℃或水熱條件（即濕法）加熱至300℃以上時，其他所有亞穩相的異構體都會被轉換為β相異構體。
β相氧化鎵材料是目前半導體界研究最多，也是離應用最近的材料，目前產業化均以β相氧化鎵為主，下文討論內容也均指代β相氧化鎵。
β相氧化鎵的熔點為1820 ℃，其粉末呈白色三角形結晶顆粒，密度為5.95g/cm3，不溶于水。其單晶具有一定的電導率，不易被化學腐蝕，且機械強度高，高溫下性能穩定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其在紫外和藍光區域透明，這是傳統的透明導電材料所不具備的優點。
氧化鎵天資卓越，材料屬性天生麗質，出生就注定能夠成為市場熱捧。它擁有著超寬帶隙（4.2~4.9eV）、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、較短的吸收截止邊及超強的透明導電性等優異的物理性能。氧化鎵器件的導通特性幾乎是于碳化硅（SiC）的10倍，理論擊穿場強是碳化硅的3倍多。
不止如此，它的化學和熱穩定性也較為良好，同時能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質量、可摻雜的塊狀單晶。
但材料領域從來沒有十全十美，也從來不存在單兵作戰。一方面，氧化鎵的遷移率和導熱率低，不及碳化硅和氮化鎵，可能受到自熱效應影響，從而導致設備性能下降；另一方面，實現p型摻雜難度較大，難以制造p型半導體，成為實現高性能器件的主要障礙。
好在研究人員發現，當溫度由室溫升高至250℃時，氧化鎵制造的器件性能不會出現明顯的衰退，實際應用中很少會超過250℃，并且氧化鎵器件可以非常小、非常薄，所以即使熱導率低，也可以非常有效地進行熱管理。同時，業界已設計多樣的器件構型，有效規避了p型參雜困難的問題，實現了良好的器件性能。
雖然這兩個缺陷可以避免，但實際應用中仍需進一步探討。
使用氧化鎵制作的半導體器件可以實現更耐高壓、更小體積、更低損耗，因此它在光電探測、功率器件、射頻器件、氣敏傳感、光催化、信息存儲和太陽能利用等都有潛在應用價值。目前為止，日盲紫外光電探測器件和功率器件（SBD、MOSFET）是氧化鎵商業化趨勢明朗的兩個領域。
百家爭鳴，恐落人后
日本企業Novell Crystal Technology作為氧化鎵晶體研發領域的先驅，是世界上最早能夠量產氧化鎵基礎材料（單晶和外延）及器件的企業，正在聯合村田制作所、三菱電機、日本電裝和富士電機等科技巨頭，以及東京農工大學、京都大學和日本國家信息與通信研究院等科研機構，推動氧化鎵單晶及襯底材料以及下游功率器件的產業化發展。
近日，Novell Crystal Technology與佐賀大學合作攻克了其第二代氧化鎵4英寸外延片中由外延式沉積成膜過程中產生的一種特定粉末所造成的缺陷過多問題。通過改善成膜條件之后，成功制造出了第三代氧化鎵4英寸外延片，缺陷降低到0.7個／c㎡，相較上一代產品，缺陷降至7%左右。
此外，Novell Crystal Technology還完成了300A～500A級的大型氧化鎵肖特基勢壘二極管的原型樣品制作。這將使氧化鎵功率器件能夠真正被廣泛應用于電動汽車等需要100A級功率器件的市場中。預計到2030年左右，以原油計算，節能效果將超過10萬千升/年。
我國也在進行氧化鎵的研發。中國科協發布的2021年度“科創中國”系列榜單中，中山大學王鋼教授團隊自主研發的科研成果“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質外延生長技術及核心裝備”榮登“先導技術榜”。王鋼教授團隊研發的設備通過獨特的反應腔設計，解決了氧化鎵薄膜材料異質外延生長過程中預反應強等問題，提高了批次的均勻性和良率。同時，采用多層勻氣送氣結構和特種噴射技術以及加熱控制系統，解決了大容量大尺寸反應腔加工制造過程中的焊接組裝問題，有望成為我國新興超寬禁帶功率半導體材料產業化突破口，推動我國氧化鎵基功率電子器件的發展和產業化進程。
而在全球半導體產業具有全面領先優勢的美國，正在從前沿軍事技術布局的角度大力發展氧化鎵材料及功率器件。美國空軍研究實驗室、美國海軍實驗室和美國宇航局，積極尋求與美國高校和全球企業合作，開發耐更高電壓、尺寸更小、更耐輻照的氧化鎵功率器件。德國萊布尼茨晶體生長研究所、法國圣戈班等全球企業/科研機構也加入了氧化鎵材料及器件研發的浪潮中，這種半導體材料可謂是吸引了世界的廣泛關注。
我國研究氧化鎵的機構和高校較多，也取得了很多研究成果，有望在應用場景和需求量逐漸明確之后，進行科技成果轉移。專家表示，氧化鎵基本尚未產業化，中國企業機會很多，要找準需求點，利用好現有的科研成果，以取得發展的優勢。
國內投融資開始涌動
氧化鎵是未來十年的生意，行業分析人士表示，預計到2030年，全球氧化鎵及功率器件市場規模將達到98.6億元。
在產業化方面，國內剛剛起步，但很多投資基金已經開始關注到氧化鎵的未來，尋求相關創業項目和創業團隊，推動國內氧化鎵發展。北京鎵族科技、杭州富加鎵業、北京銘鎵半導體、深圳進化半導體是目前在投融資市場較為活躍的四家公司——
北京鎵族科技是國內入局比較早的一家公司，注冊成立于2017年年底，是國內首家、國際第二家專業從事氧化鎵半導體材料開發及應用產業化的高科技公司，是北京郵電大學的科研團隊科研成果轉化形成公司；
杭州富加鎵業科技有限公司成立于2019年12月，是由中國科學院上海光機所與杭州市富陽區政府共建的硬科技產業化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業；
北京銘鎵半導體是可實現國產工業級氧化鎵半導體晶片小批量供貨的中國廠家，這家公司已開始布局“氧化鎵”材料產業全鏈路；
深圳進化半導體則稱預計在一年內實現2英寸β相的單晶襯底的小批量生產和銷售，目前已有潛在客戶表達了聯合測試意愿。
據《中國電子報》預測，輻射探測傳感器芯片和功率校正、逆變、高功率和超大功率芯片是氧化鎵兩個主要方向，尤其是在超寬禁帶系統可用功率和電壓范圍方面會發揮重要作用，包括電力調節和配電系統中的高壓整流器、電動汽車和光伏太陽能系統等有利應用場景。
進化半導體公司CEO許照原在36氪訪談中表示，碳化硅用了40年時間發展，氧化鎵則僅用了10年，踩著碳化硅腳印前進的氧化鎵很有可能有類似的發展行徑：先在市場門檻較低的快充和工業電源領域落地，后在汽車領域爆發。
氧化鎵在十年內已取得重大進展，眼看離產業只差一步之遙，但針對材料制備和相關性質研究仍然不夠系統和深入，若想統治未來，掌握現在這十年是關鍵。
超越氮化鎵，未來可期
雖然仍處于研發階段，但氧化鎵應用前景已經被多領域廣泛看好。
李成明指出，以氧化鎵為基礎材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導通電阻，從而擁有更低的導通損耗和更高的功率轉換效率，在功率電子器件方面具有極大的應用潛力。而在日盲紫外探測方面，氧化鎵具有獨特的優勢，可以利用這點制作光電子器件。如制作對紫外區域、波長短、禁帶寬等有需求的日盲光電器件。
芯謀研究高級分析師張彬磊向《中國電子報》記者表示，氧化鎵作為一種新興的超寬帶隙導體，擁有4.9~5.3eV的超大帶隙（SiC和GaN的帶隙為3.3eV，硅則僅有1.1eV），讓這種新材料擁有更高的功率特性以及深紫外光電特性，同時這種材料又具有很好的熱穩定性，因此有望基于氧化鎵材料開發出小型化、高效的、耐熱性優良的超大功率晶體管。
張彬磊預測，氧化鎵未來的主要應用場景：一是在輻射探測領域的傳感器芯片，另一個將會是在大功率和超大功率芯片方面。
池憲念則認為，氧化鎵在超寬禁帶系統可用的功率和電壓范圍方面會發揮重要作用。所以，電力調節和配電系統中的高壓整流器、電動汽車和光伏太陽能系統等將是氧化鎵的有利應用場景。
目前，市場對于氧化鎵的渴望愈發強烈，NCT預測氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴大到約590億日元（約合4.7億美元）規模，而從市場調查公司富士經濟對寬禁帶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（約合12.2億美元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（約合8.6億美元）還要大。
“實際上半導體新材料未來市場規模的預測必然取決于它的制造成本快速降低，氧化鎵的晶圓制備思路已經回歸到單晶硅的制備體系軌道，再加上為了適應新材料半導體架構的適配設計，氧化鎵晶圓的市場將超出我們的想象。”李成明表示。
池憲念則更加大膽地預測，氧化鎵比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價格方面也比碳化硅等要更為低廉。2030年氧化鎵功率半導體市場規模將達15億美元。
