第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵，即將脫穎而出

      氧化鎵是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導(dǎo)體材料，是一種性能遠(yuǎn)超氮化鎵的無機(jī)化合物，已知晶相共6種，包括α，β，γ 等5 種穩(wěn)定相和1 個(gè)瞬態(tài)相κ－GaO，其中β 相為熱力學(xué)穩(wěn)定相。GaO熔點(diǎn)約為1793 ℃，高溫下其他相均轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢璆aO，通過熔體法只能生長(zhǎng)獲得β－GaO單晶。β－GaO在體塊單晶生長(zhǎng)方面，相對(duì)其他晶相具有明顯優(yōu)勢(shì)。

以β-Ga2O3單晶為基礎(chǔ)材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導(dǎo)通電阻，從而擁有更低的導(dǎo)通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率，在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景，其導(dǎo)電性能和發(fā)光特性長(zhǎng)期以來一直引起人們的注意，作為半導(dǎo)體材料，氧化鎵比現(xiàn)有的硅碳化鉀、碳化硅材料的成本更加低廉，更容易實(shí)現(xiàn)高電壓，并且具有保持穩(wěn)定的性能，所以是一種節(jié)省電力的好材料，這種材料可以在改善電動(dòng)汽車、太陽能和其他形式的可再生能源方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，這種特性也會(huì)讓氧化鎵在未來更廣泛的應(yīng)用于太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域，未來主要領(lǐng)域是在通信、雷達(dá)、航空航天、高鐵動(dòng)車、新能源汽車等的輻射探測(cè)領(lǐng)域的傳感器芯片，以及在大功率和超大功率芯片。雖然目前還處于研發(fā)階段，但各國半導(dǎo)體企業(yè)都在爭(zhēng)相布局氧化鎵。

早期領(lǐng)跑者

目前氧化鎵已經(jīng)從研發(fā)階段進(jìn)入初步商業(yè)應(yīng)用階段，美國、日本、歐洲、韓國、中國大陸和中國臺(tái)灣都正在開發(fā)氧化鎵晶圓和器件，在初期日本已經(jīng)引領(lǐng)其商業(yè)化進(jìn)程。氧化鎵基片晶圓和器件的開發(fā)制造商脫穎而出，領(lǐng)先企業(yè)主要為三家公司，分別是美國凱馬科技，京都大學(xué)的FLOSFIA和日本新晶科技公司，接下來讓我們來看看這些早期領(lǐng)跑者的基本情況。

美國凱馬科技公司

美國凱馬科技公司成立于1998年，是北卡羅來納州立大學(xué)的一個(gè)子公司，其業(yè)務(wù)重點(diǎn)是用于特種照明、激光二極管和寬帶隙半導(dǎo)體，它在2016年將氧化鎵加入其產(chǎn)品線，該公司擁有五種氮化鎵、氮化鋁晶片產(chǎn)品和氮化鎵開關(guān)，同時(shí)在美國、中國、歐洲、日本、韓國等地方均有銷售。

京都大學(xué)的FLOSFIA公司

日本FLOSFIA公司成立于2011年，其作為京都大學(xué)的一家子公司，專門利用霧狀化學(xué)氣相沉積技術(shù)制造氧化鎵半導(dǎo)體器件，該公司聲稱已實(shí)現(xiàn)世界上第一個(gè)氧化鎵電源裝置的大規(guī)模生產(chǎn)，并生產(chǎn)了世界上效率最高的氧化鉀二極管，在實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用之后，F(xiàn)LOSFIA公司開始向汽車行業(yè)量產(chǎn)進(jìn)軍，并作為半導(dǎo)體外包商。

日本新晶科技公司

新晶科技公司是從日本日本電子元件化學(xué)品和設(shè)備制造商田村電子株式會(huì)社獨(dú)立出來的子公司，該公司聲稱在2013年生產(chǎn)了世界上第一個(gè)氧化鎵晶體管，為創(chuàng)新的下一代半導(dǎo)體電源器件的實(shí)際應(yīng)用開辟了道路，然而最早是由日本國家信息和通信技術(shù)研究所的研究人員在前一年開發(fā)出來的，2021年12月經(jīng)過四年研發(fā)新晶科技公司宣布開發(fā)出氧化鎵二極管并誓言可以生產(chǎn)出更高效和小型化的電子產(chǎn)品——如光伏發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換器，工業(yè)用通用逆變器和電源供應(yīng)，此外，該公司還計(jì)劃在2023年下半年接受量產(chǎn)代工訂單并開始銷售。

在中國，氧化鎵的研發(fā)情況又是怎么樣的？

阿特科姆科技公司是一家位于中國臺(tái)灣的硅錠和硅片的制造商和銷售商，也經(jīng)營(yíng)氧化鎵。在中國國內(nèi)，廈門博威先進(jìn)材料有限公司正處于開發(fā)該技術(shù)的早期階段，就目前而言，殘酷的現(xiàn)實(shí)是這兩家公司都處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，似乎無法對(duì)目前處于領(lǐng)先地位的日本和美國企業(yè)構(gòu)成競(jìng)爭(zhēng)威脅。

但我國發(fā)展先進(jìn)技術(shù)不會(huì)因?yàn)樽凡簧蟿e人的成就而停滯不前，據(jù)了解，目前我國從事氧化鎵材料和器件研究單位，主要是中電科46所、西安電子科技大學(xué)、山東大學(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；企業(yè)方面有銘鎵半導(dǎo)體、深圳進(jìn)化半導(dǎo)體、北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)等。近期我國也頻出捷報(bào)：北京銘鎵半導(dǎo)體有限公司使用導(dǎo)模法成功制備了高質(zhì)量4英寸（001）主面氧化鎵（β-Ga2O3）單晶，完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，并且進(jìn)行了多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，成為國內(nèi)首個(gè)掌握第四代半導(dǎo)體氧化鎵材料4英寸（001）相單晶襯底生長(zhǎng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司；在世界頂級(jí)的半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)論壇IEEE IEDM上，中國科大國家示范性微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)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(cè)器）成功被大會(huì)接收，這也是中國科大首次以第一作者單位在IEEE IEDM上發(fā)表論文；中科大國家示范性微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)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(cè)器）成功被大會(huì)接收。 

小結(jié)

中國科學(xué)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(jìng)爭(zhēng)力的電力電子器件，會(huì)直接與碳化硅器件競(jìng)爭(zhēng)。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料的代表。目前，各國的半導(dǎo)體企業(yè)都爭(zhēng)先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。

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