【导读】在宽禁带半导体迅猛发展势头的影响下，超禁带半导体也悄然入局。氧化镓（Ga2O3）作为第四代半导体的代表，不仅在实验室中取得越来越多研发进展，其量产、商业化脚步也在不断推进。日本分析机构矢野研究所发布宽禁带半导体全球市场研究结果，氧化镓比碳化硅器件具有更高的成本和性能潜力，参与者的数量正在增加。或许不久之后，氧化镓就会加入与碳化硅和氮化镓竞技的商业市场当中。
高效节能 材料优势显著
随着科技的快速发展，半导体技术在各种电子设备中发挥着至关重要的作用。氧化镓备受关注，被视为新一代宽禁带半导体的候选者。资料显示，相对于碳化硅，氧化镓具备超宽禁带宽度（4.2~4.9eV）、高相对介电系数、超高临界击穿场强（8MV/cm）、较短的吸收截至边界及超强的透明导电性等优异的物理性能。此外，氧化镓的化学和热稳定性也很好，能够在恶劣环境或者高温环境下保持稳定性。同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。
具体而言，氧化镓是一种多变的半导体材料，它有六种不同的晶相，其中最稳定的是β相。β相氧化镓可以通过熔融法生长出大尺寸的单晶衬底，这对于制作高性能的功率器件是非常有利的。氧化镓的高压高功率特性是一大优势，其击穿场强是SiC的3倍，Si的26倍，这意味着它可以承受更高的电压而不被击穿。信息、能源、航空航天等领域，对于能够承受高电压的功率器件有着巨大的需求。氧化镓还具有低损耗的优势，它的损耗是SiC的1/7，这意味着它可以节省更多的能源。从实验数据可以看出，氧化镓SBD的损耗在同等电压下，只有SiC的1/7，只有Si的1/49。作为一种高效节能的半导体材料，具有显著的优势。
这些优良的材料特性吸引了众多学者和企业的目光，成为研究的热点。中国科学院院士郝跃曾表示，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。
商业化临近 相关研发密集开展
正因为氧化镓优越的材料性能，不仅使其成为目前半导体领域研究的热点，相关业者也在不断推进其量产和商业化进程。据报道，日本两家领先的氧化镓公司Novel Crystal和Flosfia自2012年开始投入氧化镓的研发，成功突破多项关键技术，包括2英寸氧化镓晶体与外延技术，以及氧化镓材料的量产等。其中，Novel Crystal公司已实现2 英寸、4英寸的衬底及外延的批量化供应，2022年7月宣布计划 2025 年每年生产2万片4英寸晶圆。Flosfia公司采用喷雾化学气相沉积法已成功制备具有全球最小导通电阻的肖特基二极管，已在日本电装上试用。
美国已基本形成氧化镓产业链各环节的研究基础。如美国空军研究室已制备出一种抗高压的增强型氧化镓 MOSFET。美国能源部先进能源研究计划署主要资助的Kyma Technologies 公司亦可提供氧化镓衬底及外延片的供应。德国的Leibniz晶体生长研究所、法国Saint-Gobai公司等机构均已加入氧化镓材料器件开发中。
我国氧化镓材料制备技术也取得了长足进步。2023年2月，我国首颗6英寸氧化镓单晶被成功制备，中国电科46所成功构建了适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构，突破了6英寸氧化镓单晶生长技术，可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制，达到国际最高水平。此外，铭镓半导体完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，成为国内首个掌握第四代半导体氧化镓材料4英寸（001）相单晶衬底生长技术的产业化公司。浙大杭州科创中心也首次采用新技术路线成功制备2英寸（50.8 mm）的氧化镓晶圆。
这些进展显示出我国在氧化镓材料制备方面的实力正在逐步增强，同时也推动了氧化镓材料在半导体领域的应用研究。一些半导体公司、研究机构和政府部门已经开始在氧化镓领域进行合作和投资，以加速其商业化进程。
目标市场多元 2030年或超12亿美元
根据富士经济对宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将达到1542亿日元（约合12.2亿美元），这个市场规模比氮化镓功率元件的规模（约合8.6亿美元）还要大。可以看出，氧化镓对市场需求产生的带动作用。
氮化镓适用于1000V以下的中低压的市场，碳化硅适用于650V以上的中高压市场。氧化镓作为一种新型超宽禁带半导体材料，虽然还在研发过程中，但依其材料性能，非常适合开发小型化、高效的、耐热性优良的超大功率晶体管。目前业内对于氧化镓的普遍期待也是应用在功率器件上，尤其是大功率应用场景。
日本在氧化镓研发和产业化方面处于领先地位，Novel Crystal和Flosfia将“空调、冰箱和洗衣机”等对能效等级高度敏感，且市场门槛相对偏低的白色家电作为首先要渗透的应用市场。Flosfia预计，2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年达到15.42亿美元，达到碳化硅的40%，氮化镓的1.56倍。
氧化镓器件在光电子领域同样具备优势。氧化镓日盲紫外器件是一种利用氧化镓材料的超宽禁带特性，可实现对250-300 nm波段紫外光的高灵敏度探测的器件。由于氧化镓材料对可见光和近红外光几乎不吸收，氧化镓日盲紫外器件可以直接在阳光下工作，无需额外的光谱过滤光窗，从而降低了成本和复杂度，具有很高的响应度和探测率，可以在极端环境下保持较高的探测性能等。因此，氧化镓日盲紫外器件可以用于电网安全监测、森林火灾监测、港口导航和海上搜救、环境与生化监测等领域。
此外，氧化镓器件还可以作为高频射频器件、能源转换和储能、半导体激光器等领域使用，应用于毫米波通信、射频功率放大器、太阳能电池和其他能源转换、激光雷达、光通信等，应用前景十分广阔。
下一步发力方向，降成本扩应用
虽然目前各大企业、高校和研究所都对氧化镓的性能寄予厚望，但距离真正大规模应用还需要解决很多关键的瓶颈问题。目前遇到的障碍主要有两方面，一是大尺寸高质量单晶的制作。二是氧化镓材料大功率、高效率电子器件还处于实验室阶段的研发。对此，有专家指出，大尺寸低缺陷氧化镓单晶的制备方法以及高表面质量氧化镓晶片的超精密加工技术是实现氧化镓半导体器件工业应用的主要瓶颈。虽然氧化镓应用前景已经被多领域广泛看好，但未来氧化镓材料需要在高质量、低缺陷、大尺寸单晶方面的生产技术进行突破，并在电子器件的商业化、大规模应用上发力。
此外，导热性能较差也是氧化镓材料的短板。因此，许多单位开展将转移晶圆级氧化镓薄膜于高导热衬底的研究，如转移到高导热率碳化硅和碳基衬底上异质集成制备氧化镓MOSFET器件，近日也出现了将氧化镓与金刚石进行键合的消息。美国弗吉尼亚理工大学通过双面银烧结的封装方式解决散热问题，能够导走肖特基结处产生的热量，在结处的热阻为0.5K/W，底处1.43，瞬态时可以通过高达70A的浪涌电流。中国科学院半导体研究所研究员闫建昌表示，散热能力不足是氧化镓的弊端，如何绕开这个弊端的话，去充分发挥它在功率器件的优势，是值得关注的发展方向。氧化镓在器件和产业发展上还有很大的空间，发展的基础取决于材料本身和材料制备水平，要实现更低的缺陷密度，把材料的优势和潜力充分发掘出来，这是未来超宽禁带技术和产业发展的基础。
作为一种宽能隙半导体材料，氧化镓潜在优势依然明显，特别是在高功率、高温和高频应用中。在未来10年，氧化镓器件有可能成为直接与碳化硅竞争的电力电子器件，关键的突破取决于成本的快速降低和大规模应用的展开。
作者：集微网，来源：雪球
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