氧化镓VS三代半优劣势明显，产业链尚不健全+下游应用待解

后摩尔时代，具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体，即第三代半导体材料（以下简称“三代半”）凭借其大幅降低功耗、提高能量转换效率及缩小产品体积的显著优势，在功率器件和射频器件领域大放异彩，成为全球半导体行业研究的焦点。

而作为超宽禁带半导体材料——氧化镓（Ga2O3），有着比SiC和GaN更宽的禁带，这就意味着氧化镓在更高功率的应用方面比三代半具有更具优势。因此，以日本为首的国家，在氧化镓（Ga2O3）的研发上也倾注颇多精力，国内在氧化镓方面的研究较为滞后，但进展很快。

氧化镓（Ga2O3）VS三代半、Si的优劣

氧化镓是一种宽禁带半导体，其禁带宽度Eg=4.9eV，SiC(约3.3eV)，GaN(约3.4eV)和Si(1.1eV)。

禁带宽度大 带来两方面的好处：

一是禁带宽度大使得材料的本征载流子浓度低，这样就能够使宽禁带材料器件能够在更高的温度下也能够正常工作。

二是宽禁带使得氧化镓具有更高的电场击穿强度，SiC是Si的10倍，而Ga2O3是SiC的3倍。击穿场强越高，在相同的耐压等级下器件就越薄。那么在相同的芯片面积下，器件的导通电阻越小，电流等级越大，故宽禁带材料器件可以同时满足高压和大电流的要求；同时，在相同的电压和电流等级下，宽禁带材料器件的芯片面积就会更小。

所以，采用宽禁带材料制成的系统可以比由禁带较窄材料组成的系统更薄、更轻，并且能应对更高的功率，有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。此外，宽禁带允许在更高的温度下操作，从而减少对庞大的冷却系统的需求。这是三代半材料的优势，而具备更宽禁带的氧化镓材料，在高功率领域的优势较三代半材料更甚。

2012年，Ga2O3的结晶形态确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β结构最稳定，当时，与Ga2O3的结晶生长及物性相关的研究报告大部分都使用β结构。

例如，单结晶构造的β-Ga2O3由于具有较宽的禁带，使其击穿电场强度很大，具体如下图所示。β-Ga2O3的击穿电场强度约为8MV/cm，是Si的20多倍，相当于SiC及GaN的2倍以上。

下图中非常清晰的可以看到，氧化镓对比三代半的主要优势在于禁带宽度，但也存在不足，主要表现在迁移率和导热率低，特别是导热性能是其主要短板。

图：氧化镓对比硅、氮化硅和碳化硅

图源丨《新材料产业》[5]

氧化镓（Ga2O3）产业化突破难点有二：

其一，国内氧化镓产业链尚不完备，至少要3-5年时间培育，氧化镓材料还在研发阶段。

其二，下游应用还有待落地。

氧化镓（Ga2O3）产业化的第一个难点在于材料制备。大尺寸高质量的β-Ga2O3晶圆生产同三代半材料一样需要高温。β-Ga2O3单晶熔点达1820℃，高温生长过程中极易分解挥发，容易产生大量的氧空位，进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷，此外高温下分解生成的GaO、Ga2O和Ga等气体会严重腐蚀铱金坩埚。

氧化镓（Ga2O3）单晶生长制备方法主要包括焰熔法、提拉法、导模法、光浮区法、布里奇曼法。其中，日本企业Novell Crystal Technology（NCT）作为氧化镓晶体研发领域的先驱，采用导模法成功生长最大6英寸氧化镓单晶，而其它方法仍然无法制造产业所需的大尺寸衬底。

但导模法制造的氧化镓在制造过程中需要使用贵金属铱（Ir）的坩埚，每克铱的价格高达上千元，约是黄金价格的3-5倍。因此，良率低、成本高、制备方法尚待优化等都是阻碍氧化镓上游生产出大尺寸、高质量晶圆的原因。

日本的相关机构在氧化镓功率器件研究方面一直处于业界领先水平。目前已实现4英寸氧化镓材料的突破及产业化，6英寸氧化镓材料获得突破，但尚未量产。相比三代半来说，氧化镓材料晶圆尺寸还比较小，产业发展尚在早期阶段。

此外，由于氧化镓材料适用于高功率领域，这就意味着其下游应用不能从消费电子开始，而需要从工业领域缓慢导入。因此，氧化镓下游应用还需时间。

氧化镓（Ga2O3）的最新进展

一直以来，中国在β-Ga2O3晶体材料和器件方面的研究相对落后，尤其是功率器件的研究很少，关键原因是受限于大尺寸、高质量β-Ga2O3晶体的获得。

2017年8月，我国同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术，成功制备出2英寸高质量β-Ga2O3单晶，该项研究成果将有力推动我国氧化镓基电力电子器件和探测器件的发展。

近日，我国氧化镓研发迎来新的突破，据“浙大杭州科创中心”消息，该中心先进半导体研究院发明了全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆，目前已经成功制备直径2英寸（50.8mm）的氧化镓晶圆。

浙江大学杭州国际科创中心介绍称，使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际尚属首次。

浙大科创中心研发团队张辉教授介绍，使用新技术路线生长的氧化镓晶圆有两个显著优势：一是使用这种方法生长出的氧化镓晶圆的晶面具有特异性，使得制作的功率器件具有较好的性能；二是由于采用了熔体法新路线，减少了贵金属铱的使用，使得氧化镓生长过程不仅更简单可控，成本也更低，具有更大的产业化前景。

国内氧化镓（Ga2O3）初创公司

目前，国内从事氧化镓（Ga2O3）材料及器件研发的初创公司并不像三代半企业一样遍地开花，国内氧化镓厂商主要有铭镓半导体、进化半导体、镓和半导体以及富加镓业等初创公司。

铭镓半导体成立于2020年，是国内专业从事氧化镓材料及其功率器件产业化的高新企业，是目前唯一可实现国产工业级氧化镓半导体晶片批量供货的中国厂家。2021年公司完成天使轮、Pre-A轮两轮融资，今年已完成A轮融资。

镓和半导体成立于2021年，是一家半宽禁带半导体材料研发生产商，经营范围包括制造6英寸及以上集成电路生产设备；制造碳化硅、氮化镓、氮化铝、金刚石等宽禁带半导体材料及相关器件。

进化半导体成立于2021年，是一家半导体材料研发生产商，专注于以氧化镓为代表的第四代半导体等先进半导体材料的衬底研发和制造。公司将基于全球首创的无铱工艺进行大尺寸第四代半导体氧化镓材料的衬底技术开发，将可以大幅度降低β相晶体单晶炉制造成本近2个数量级。公司于2021年8月完成天使轮融资。

富加镓业成立于2019年，是一家半宽禁带半导体材料研发生产商，氧化镓单晶材料，是继Si、SiC及GaN后的第四代宽禁带半导体材料，以β-Ga2O3单晶为基础材料的功率器件具有更高的击穿电压与更低的导通电阻，从而拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率，在功率电子器件方面具有极大的应用潜力。