全方位對比分析，為什么氧化鎵才是迄今為止最好的芯片材料？
芯片材料是繞開光刻機的一種重要途徑，這方面其實美國也在做，美國一家新創企業就嘗試將碳納米管注入芯片中，由此以90納米工藝生產的芯片性能卻比7納米硅基芯片還要強50倍，而功耗卻更低。
除了碳基芯片之外，全球芯片行業還在研發的芯片還有光芯片、量子芯片等，這些方面其實中國也在推進，中國已籌建了全球第一條光子芯片、量子芯片生產線，加速這些先進芯片技術的發展。
第四代芯片材料
此外其實還有第三代、第四代芯片材料等，在第三代芯片材料方面中國在氮化鎵等方面已基本與海外保持同步，氮化鎵芯片已廣泛應用于LED、汽車芯片、充電器等行業，在第三代芯片材料方面取得進展之后，全球芯片行業如今開始瞄準第四代芯片材料。
第四代芯片材料之一就是氧化鎵，氧化鎵具有更低的導通電阻、擊穿電場強度等特性，在太陽能、汽車芯片等行業又廣泛應用，對中國芯片來說更重要的是繞開EUV光刻機的限制，打破摩爾定律，開辟芯片技術新道路。
在氧化鎵芯片材料研發方面，中國已與美國、日本等展開較量，依托于雄厚的芯片技術實力，美國無疑在氧化鎵材料方面居于領先地位，正是由于它所擁有的技術優勢，美國商務部在2022年發布一項新規，對包括氧化鎵在內的四種技術實現出口管制，針對的無疑就是中國芯片。
美國還拉攏了日本，日本在氧化鎵方面也具有很強的技術優勢，日本在全球最先實現了6英寸的氧化鎵晶圓的制備。日本其實在芯片材料方面一直都有很強的實力，日本至今仍然占有硅晶圓市場六成的市場份額，臺積電這家全球最大的芯片代工廠都要從日本進口硅晶圓，如此也就不奇怪日本在氧化鎵晶圓方面取得領先優勢了。
中國芯片行業當然不會被美國的做法阻擋，中國在芯片技術基礎方面也有不小的積累，這得益于中國很早就建立自己的工業基礎體系，這種體系在如今光刻機的發展中就有所體現，美國通過拉攏全球諸多經濟體阻止對中國出口光刻機等芯片設備，中國卻迅速發展起自己的芯片設備體系，就證明了這個實力。
在氧化鎵材料研發方面，其實中國在全球也是居于前列，日前西安郵電大學就宣布研發成功8英寸氧化鎵晶圓，如此一下子就超越了日本和美國，這意味著中國在第四代芯片材料方面已取得領先優勢。
世界最強半導體——氧化鎵
氮化鎵的性能已是出類拔萃，但是它還不是最強的。世界最強半導體材料就目前的指標而言，是氧化鎵。
氧化鎵的禁帶寬公開報道是4.9eV，砷化鎵的禁帶寬為1.6eV，氮化鎵是3.36eV。另據報道，硅的禁帶寬為1.1eV，如果干癟的數字不好比較，那我們就打一個比方：假如4.9eV與3.36eV相差的是一英里的話，那么4.9eV與1.1eV的距離就是一個馬拉松。
然而報道中的氧化鎵4.9eV的禁帶寬并不是它的實際數據，因為在當時實驗室條件下還無法探測氧化鎵禁帶寬度邊界。對于半導體材料禁帶寬檢測，一般在為15到20微米半導體材料上進行，由于氧化鎵能力強，這么大的面積根本無法檢測到邊界，因此降至600納米，探到的數值為近5eV，但據推算，當時實驗內部可能達到8eV，而且這還不是它的邊界。也就是說，在禁帶寬度方面，氮化鎵與氧化鎵的距離有好幾個馬拉松。2017年時，美國空軍研究實驗室還展示了1千兆赫時，脈沖射頻功率輸出密度超過每毫米500毫瓦的情況，最大振蕩頻率接近20千兆赫。表明氧化鎵的JFOM明顯優于氮化鎵。
美國2022年把氧化鎵列入出口管制，當時他們看到的不是氧化鎵的禁帶寬度，而是氧化鎵的耐高壓。
與氮化鎵歷經20年才達到每厘米8兆伏不同，氧化鎵第一次嘗試內部電場峰值就至少達到了每厘米5.3兆伏。需要注意的是，它的數據也是在600納米條件下實現的。
在實驗中，氧化鎵在使用過程中幾乎沒有能量損耗，而且好像一直于開啟狀態。這可能源于柵極-漏極間隙通常只有15到20微米，這讓它的寄生電阻很小，小到可以忽略。2017年的時候，氧化鎵的耐壓試驗已達600伏，這個電壓，氮化鎵用了二十多年。
但是想要做第四代中最強的半導體，單有禁帶寬與耐高壓是不夠的。
氧化鎵可以通過摻雜的方法，在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導電性。而且這個摻雜與硅材料摻雜有極大相似性。對于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動。對于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來添加電子。這個方法只有氧化鎵能做，像其它的四代半導體金剛石等則會引起電荷卡死，提高不良率。
氧化鎵還有一個特性是其它半導體材料不具備的。那就是它的晶棒也可以用硅材料生成化制造，這有利于大幅度降低氧化鎵的生產成本。氧化鎵目前有三種形態，分別是β、ε、α。其中β-氧化鎵具備良好的熱穩定性，因此可以使用大量的商業技術來制造，包括用于制造硅片的提拉法。也可以使用“邊緣定義、薄膜饋電晶體生長”技術來生產β-氧化鎵晶圓。甚至可以使用可高度擴展的垂直坩堝下降技術生長晶體。
氧化鎵后面這兩個特性很重要，這讓它可借用各種各樣的既有商業光刻和加工技術。這兩點，其它半導體做不到，包括氮化鎵。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導體必須生長在另一種材料盤中，比如氮化鎵通常依靠復雜的工藝在硅、碳化硅、藍寶石基底上生長，由于基底的晶體結構明顯不同于氮化鎵的晶體結構，這種差異會造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產生大量缺陷。這樣芯片的良率下降，而且生產成本也大幅上升。
據報道，近日，中國電科46所氧化鎵團隊聚焦多晶面、大尺寸、高摻雜、低缺陷等方向，生產出世界最大6英寸的氧化鎵單晶體。這具有里程碑意義。因此在氧化鎵良好性能的基礎上，通過摻雜等工藝，并利用硅晶生成、光刻等現有工藝，讓氧化鎵不止在射頻、大功率開關管上有作為的可能。
以上優點墊成了氧化鎵是現有半導體材料中最強的。但是氧化鎵而有一個其它所有半導體材料沒有的特性，它可以用于量子力學，其原因就是氧化鎵是一種透明導電氧化物。這意味著氧化鎵在用于量子計算機、量子通訊、量子雷達方面比其它半導體材料更具優勢。就此一點，也是最強半導體。當然，這是在新的半導體材料未出現之前。
與第三代半導體襯底環節的對比
從上表可以看出：
1、 晶片尺寸
三種材料目前的尺寸基本相當，即單片襯底的芯片產出相差不大（GaO器件做成垂直器件相對會更小，此處差異忽略不計）。SiC已有8寸單晶襯底、GaN（自支撐）目前有4寸量產產品，6寸樣品剛進入市場，未量產暫時未考慮。
2、設備投入：（晶體生長爐+坩堝+晶體加工設備）
GaO設備投入每條產線投入約350萬，SiC設備投入每條產線550萬，GaN設備投入每條產線800萬。
3、生產效率
GaO每月可產出8爐，年產80爐，可產800片，邊角料短期內還可切成10mm * 10mm的小片銷售給科研單位研究用，每爐100片，年產8000片小片。SiC每月可產4爐，年產40爐，可產400片，不能按小片銷售，且良率按30%算約為120片。GaN自支撐襯底產量更小。
外延及芯片加工階段的對比
從表上可以看出：
SiC、GaN的外延生長設備成本就明顯要高出GaO材料數倍，且因為外延時間較短，升溫、降溫的時間要遠遠大于實際外延生長時間，所以幾種材料外延的速度差異并不明顯，而且由于各家技術有差異，用途不同的外延也有些許差別，此處不做更深入的比較。目前各種材料的外延技術較為成熟，可以滿足市場的需求。
芯片加工階段，由于GaO、SiC可以使用垂直結構，所以同等規格下，芯片面積較小，為便于比較，暫時忽略這種優勢，三種材料在功率芯片加工過程的成本差異不大。
綜上可以看出，GaO器件最終成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有獨特的競爭優勢。
成本對比
根據Joule雜志2019年美國NREL（Strategic Energy Analysis Center at National Renewable Energy Laboratory國家可再生能源實驗室-戰略能源分析中心）發表的文章《How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?》中展示的襯底成本模型和技術改進效果預測，單片GaO的晶圓成本可由當前的283美金下降到195美金，大大低于SiC 成本（916美金）。
由于成本構成中超過60%是銥坩堝帶來，若能找到優化坩堝損耗甚至替代銥坩堝的方法，將可以進一步大幅度降低GaO成本。
熱導率和遷移率問題
GaO的低熱導率、低遷移率問題可作為未來數年業界進行科研的主攻方向，突破這些問題將能夠大幅度提高人們對GaO的應用預期，推動GaO的產業化進度，但其實這些參數并不會實際上影響當前GaO導入實際應用的價值。
熱導率
半導體功率器件應用中所涉及到的熱問題，要細分為三部分來分析：產熱，耐熱，散熱。
1、 產熱
功率器件主要有驅動損耗、開關損耗和導通損耗三個部分帶來損耗，損耗越低，效率就越高，而決定這幾種損耗的關鍵指標就分別是Qg、Coss和Ron，所以降低損耗的關鍵是降低這幾個指標。
Ron，即On-resistance導通電阻，主要是與材料的特性決定。業界看好。Ga2O3、SiC、GaN在功率領域的應用前景，也因為這幾種材料的Ron極低，可以大幅度降低導通損耗。SiC的導通電阻是Si產品的1/6，而GaO的導通電阻是SiC的1/6，在導通損耗方面具有很大優勢。對于功率器件來說，Ron是一個關鍵指標，導通電阻越低，其損耗越小，產生的熱量越少，從而有效控制溫升。
2、 耐熱
材料耐高溫的特性進一步使得低熱導率在應用中不會產生實質影響。
3、 散熱
既然材料產熱少，又耐熱，那么對散熱的要求就會降低，如果在封裝環節也充分考慮到Die的散熱，就可以進一步降低材料低熱導率帶來的影響。
遷移率
作為晶體管性能指標的溝道遷移率，需要達到實用化標準（200 cm2/V·s）才具有應用價值。半導體器件的遷移率簡單分析，主要包含了體遷移率和溝道遷移率兩個方面。其中體遷移率主要跟材料本身特性相關，溝道遷移率與器件結構相關。如果在射頻方面應用，對遷移率要求很高，在這一點上，GaO的性能目前確實是不如GaN有優勢的，GaN在射頻方面的應用還會持續擴張。
預計GaO的市場機會將會率先出現在市場門檻較低、成本敏感的消費電子、家電以及能發揮材料高可靠、高性能的工業電源等領域，并將在2025年至2030年開始全面滲透車載和電氣設備領域。
