第四代半導體材料氧化鎵，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體材料，是一種性能遠超氮化鎵的無機化合物，已知晶相共6種，包括α，β，γ 等5 種穩(wěn)定相和1 個瞬態(tài)相κ－GaO，其中β 相為熱力學穩(wěn)定相。GaO熔點約為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獲得β－GaO單晶。β－GaO在體塊單晶生長方面，相對其他晶相具有明顯優(yōu)勢。

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通電阻，從而擁有更低的導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，其導電性能和發(fā)光特性長期以來一直引起人們的注意，作為半導體材料，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，這種特性也會讓氧化鎵在未來更廣泛的應(yīng)用于太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、電動汽車等領(lǐng)域，未來主要領(lǐng)域是在通信、雷達、航空航天、高鐵動車、新能源汽車等的輻射探測領(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，但各國半導體企業(yè)都在爭相布局氧化鎵。

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的一個子公司，其業(yè)務(wù)重點是用于特種照明、激光二極管和寬帶隙半導體，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)，同時在美國、中國、歐洲、日本、韓國等地方均有銷售。

京都大學的FLOSFIA公司

日本FLOSFIA公司成立于2011年，其作為京都大學的一家子公司，專門利用霧狀化學氣相沉積技術(shù)制造氧化鎵半導體器件，該公司聲稱已實現(xiàn)世界上第一個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)進軍，并作為半導體外包商。

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品和設(shè)備制造商田村電子株式會社獨立出來的子公司，該公司聲稱在2013年生產(chǎn)了世界上第一個氧化鎵晶體管，為創(chuàng)新的下一代半導體電源器件的實際應(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灣的硅錠和硅片的制造商和銷售商，也經(jīng)營氧化鎵。在中國國內(nèi)，廈門博威先進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)實是這兩家公司都處于實驗室研發(fā)階段，似乎無法對目前處于領(lǐng)先地位的日本和美國企業(yè)構(gòu)成競爭威脅。

但我國發(fā)展先進技術(shù)不會因為追不上別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、山東大學、上海光機所、上海微系統(tǒng)所、復旦大學、南京大學等高校及科研院所；企業(yè)方面有銘鎵半導體、深圳進化半導體、北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)等。近期我國也頻出捷報：北京銘鎵半導體有限公司使用導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，并且進行了多次重復性實驗，成為國內(nèi)首個掌握第四代半導體氧化鎵材料4英寸（001）相單晶襯底生長技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司；在世界頂級的半導體和電子器件技術(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器）成功被大會接收，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器）成功被大會接收。 

小結(jié)

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(yè)內(nèi)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(yè)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。

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