芯耀
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后摩爾時代，具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出，以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體，即第三代半導體材料（以下簡稱“三代半”）憑借其大幅降低功耗、提高能量轉換效率及縮小產品體積的顯著優(yōu)勢，在功率器件和射頻器件領域大放異彩，成為全球半導體行業(yè)研究的焦點。
而作為超寬禁帶半導體材料——氧化鎵（Ga2O3），有著比SiC和GaN更寬的禁帶，這就意味著氧化鎵在更高功率的應用方面比三代半具有更具優(yōu)勢。因此，以日本為首的國家，在氧化鎵（Ga2O3）的研發(fā)上也傾注頗多精力，國內在氧化鎵方面的研究較為滯后，但進展很快。
氧化鎵（Ga2O3）VS三代半、Si的優(yōu)劣
氧化鎵是一種寬禁帶半導體，其禁帶寬度Eg=4.9eV，SiC(約3.3eV)，GaN(約3.4eV)和Si(1.1eV)。
禁帶寬度大 帶來兩方面的好處：
一是禁帶寬度大使得材料的本征載流子濃度低，這樣就能夠使寬禁帶材料器件能夠在更高的溫度下也能夠正常工作。
二是寬禁帶使得氧化鎵具有更高的電場擊穿強度，SiC是Si的10倍，而Ga2O3是SiC的3倍。擊穿場強越高，在相同的耐壓等級下器件就越薄。那么在相同的芯片面積下，器件的導通電阻越小，電流等級越大，故寬禁帶材料器件可以同時滿足高壓和大電流的要求；同時，在相同的電壓和電流等級下，寬禁帶材料器件的芯片面積就會更小。
所以，采用寬禁帶材料制成的系統(tǒng)可以比由禁帶較窄材料組成的系統(tǒng)更薄、更輕，并且能應對更高的功率，有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率元件。此外，寬禁帶允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。這是三代半材料的優(yōu)勢，而具備更寬禁帶的氧化鎵材料，在高功率領域的優(yōu)勢較三代半材料更甚。
2012年，Ga2O3的結晶形態(tài)確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結構最穩(wěn)定，當時，與Ga2O3的結晶生長及物性相關的研究報告大部分都使用β結構。
例如，單結晶構造的β-Ga2O3由于具有較寬的禁帶，使其擊穿電場強度很大，具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場強度約為8MV/cm，是Si的20多倍，相當于SiC及GaN的2倍以上。
下圖中非常清晰的可以看到，氧化鎵對比三代半的主要優(yōu)勢在于禁帶寬度，但也存在不足，主要表現(xiàn)在遷移率和導熱率低，特別是導熱性能是其主要短板。
圖：氧化鎵對比硅、氮化硅和碳化硅
圖源丨《新材料產業(yè)》[5]
氧化鎵（Ga2O3）產業(yè)化突破難點有二：
其一，國內氧化鎵產業(yè)鏈尚不完備，至少要3-5年時間培育，氧化鎵材料還在研發(fā)階段。
其二，下游應用還有待落地。
氧化鎵（Ga2O3）產業(yè)化的第一個難點在于材料制備。大尺寸高質量的β-Ga2O3晶圓生產同三代半材料一樣需要高溫。β-Ga2O3單晶熔點達1820℃，高溫生長過程中極易分解揮發(fā)，容易產生大量的氧空位，進而造成孿晶、鑲嵌結構、螺旋位錯等缺陷，此外高溫下分解生成的GaO、Ga2O和Ga等氣體會嚴重腐蝕銥金坩堝。
氧化鎵（Ga2O3）單晶生長制備方法主要包括焰熔法、提拉法、導模法、光浮區(qū)法、布里奇曼法。其中，日本企業(yè)Novell Crystal Technology（NCT）作為氧化鎵晶體研發(fā)領域的先驅，采用導模法成功生長最大6英寸氧化鎵單晶，而其它方法仍然無法制造產業(yè)所需的大尺寸襯底。
但導模法制造的氧化鎵在制造過程中需要使用貴金屬銥（Ir）的坩堝，每克銥的價格高達上千元，約是黃金價格的3-5倍。因此，良率低、成本高、制備方法尚待優(yōu)化等都是阻礙氧化鎵上游生產出大尺寸、高質量晶圓的原因。
日本的相關機構在氧化鎵功率器件研究方面一直處于業(yè)界領先水平。目前已實現(xiàn)4英寸氧化鎵材料的突破及產業(yè)化，6英寸氧化鎵材料獲得突破，但尚未量產。相比三代半來說，氧化鎵材料晶圓尺寸還比較小，產業(yè)發(fā)展尚在早期階段。
此外，由于氧化鎵材料適用于高功率領域，這就意味著其下游應用不能從消費電子開始，而需要從工業(yè)領域緩慢導入。因此，氧化鎵下游應用還需時間。
氧化鎵（Ga2O3）的最新進展
一直以來，中國在β-Ga2O3晶體材料和器件方面的研究相對落后，尤其是功率器件的研究很少，關鍵原因是受限于大尺寸、高質量β-Ga2O3晶體的獲得。
2017年8月，我國同濟大學物理科學與工程學院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊采用自主知識產權的導模法技術，成功制備出2英寸高質量β-Ga2O3單晶，該項研究成果將有力推動我國氧化鎵基電力電子器件和探測器件的發(fā)展。
近日，我國氧化鎵研發(fā)迎來新的突破，據(jù)“浙大杭州科創(chuàng)中心”消息，該中心先進半導體研究院發(fā)明了全新的熔體法技術路線來研制氧化鎵體塊單晶以及晶圓，目前已經成功制備直徑2英寸（50.8mm）的氧化鎵晶圓。
浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心介紹稱，使用這種具有完全自主知識產權技術生長的2英寸氧化鎵晶圓在國際尚屬首次。
浙大科創(chuàng)中心研發(fā)團隊張輝教授介紹，使用新技術路線生長的氧化鎵晶圓有兩個顯著優(yōu)勢：一是使用這種方法生長出的氧化鎵晶圓的晶面具有特異性，使得制作的功率器件具有較好的性能；二是由于采用了熔體法新路線，減少了貴金屬銥的使用，使得氧化鎵生長過程不僅更簡單可控，成本也更低，具有更大的產業(yè)化前景。
國內氧化鎵（Ga2O3）初創(chuàng)公司
目前，國內從事氧化鎵（Ga2O3）材料及器件研發(fā)的初創(chuàng)公司并不像三代半企業(yè)一樣遍地開花，國內氧化鎵廠商主要有銘鎵半導體、進化半導體、鎵和半導體以及富加鎵業(yè)等初創(chuàng)公司。
銘鎵半導體成立于2020年，是國內專業(yè)從事氧化鎵材料及其功率器件產業(yè)化的高新企業(yè)，是目前唯一可實現(xiàn)國產工業(yè)級氧化鎵半導體晶片批量供貨的中國廠家。2021年公司完成天使輪、Pre-A輪兩輪融資，今年已完成A輪融資。
鎵和半導體成立于2021年，是一家半寬禁帶半導體材料研發(fā)生產商，經營范圍包括制造6英寸及以上集成電路生產設備；制造碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、金剛石等寬禁帶半導體材料及相關器件。
進化半導體成立于2021年，是一家半導體材料研發(fā)生產商，專注于以氧化鎵為代表的第四代半導體等先進半導體材料的襯底研發(fā)和制造。公司將基于全球首創(chuàng)的無銥工藝進行大尺寸第四代半導體氧化鎵材料的襯底技術開發(fā)，將可以大幅度降低β相晶體單晶爐制造成本近2個數(shù)量級。公司于2021年8月完成天使輪融資。
富加鎵業(yè)成立于2019年，是一家半寬禁帶半導體材料研發(fā)生產商，氧化鎵單晶材料，是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導體材料，以β-Ga2O3單晶為基礎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換效率，在功率電子器件方面具有極大的應用潛力。
