氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一

近日，美国商务部下属的工业和安全局对被认为是新兴和基础的四种技术建立了出口管制。其中包括一种超宽带隙半导体的基材——氧化镓（Ga2O3）。与碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等其他化合物半导体一样，氧化镓是一种宽禁带半导体，在功率开关和射频电子设备中具有应用潜力。氧化镓在其4.8电子伏特(eV)的更宽带隙中脱颖而出。相比之下，GaN的带隙为3.4eV，SiC为3.26eV，而硅仅为1.1eV。   

氧化镓的巨大潜力

在对半导体至关重要的五个特性中，高临界电场强度是β-氧化镓的最大优势。这种品质有助于产生高压开关，也可能意味着强大的射频设备。β-氧化镓的一大弱点是导热率低，这意味着热量会被困在设备内部。 

插图：IEEE，来源：GREGGH.JESSEN等人在2017年第75届年度设备研究会议(DRC)上发表“TOWARD REALIZATION OF GA2O3 FOR POWER ELECTRONICS APPLICATIONS”。  

与其他宽禁带半导体相比，氧化镓具有使其与商业化生产工艺兼容的多种特性。例如，像硅一样，氧化镓也可以通过离子注入工艺进行掺杂。最重要的是，氧化镓晶圆可以通过商业晶体生长技术制造，例如Czochralski方法，这与GaN不同，GaN必须在硅、SiC或蓝宝石衬底上生长，存在晶格失配导致损坏的风险。  

业界正在研究基于氧化镓的半导体功率器件，例如肖特基势垒二极管和晶体管。其他应用包括深紫外光电探测器。   

氧化镓研究，日本领先

事实上，氧化镓的开创性研究主要是在日本进行的，其次是德国和美国。2012年，日本国家信息通信技术研究所（NICT）的Masataka Higashiwaki率先使用最稳定的β-氧化镓晶体制作了氧化镓晶体管，该器件被称为金属半导体场效应晶体管。  

同时，日本国家材料科学研究所和德国莱布尼茨研究所（IKZ）也主导了β-氧化镓的研究。2015年，NICT和Tamura共同创立了公司Novel Crystal Technology(NCT)，成功展示了150mm β-氧化镓晶圆。据报道，NCT与2011年从京都大学分离出来的公司FLOSFIA是世界上能够批量生产Ga2O3材料和组件的两家公司之一，确立了日本在这一新兴领域的主导地位。  

“第一个使用氧化镓的功率器件将是肖特基势垒二极管(SBD)。我们正在开发SBD，目标是在2022年开始销售，”NCT公司高管兼销售高级经理Takekazu Masui说。NCT还在开发基于该技术的高压垂直晶体管。NCT已经克服了氧化镓的一些挑战。“关于热导率，NCT已经证实，通过像其他半导体一样使元件更薄，可以获得可以投入实际使用的热阻。NCT正在开发两种p型方法。一种是制作氧化镓p型，另一种是使用氧化镍、氧化铜等其他氧化物半导体作为p型材料。  

美国也在该领域进行了研究。在NICT的成功基础上，美国空军研究实验室(AFRL)在氧化镓研究方面取得了一些里程碑式的成就，包括展示了制造常关FET的可能性，尽管氧化镓中缺乏p型载流子，这是一个主要障碍行业面临。然而，AFRL也从Tamura购买基板，并从NCT和IKZ采购外延片。   

中国的氧化镓研究进程

在中国，氧化镓的研究已经进行了十年，近几年也已经有所突破。中国科学院院士郝跃在接受采访时明确指出，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来的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。  

2022年5月，浙大杭州科创中心宣布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。2022年6月，中国科大微电子学院龙世兵教授课题组两篇论文入选第34届功率半导体器件和集成电路国际会议（ISPSD），在高耐压氧化镓二极管和增强型氧化镓场效应晶体管两个课题取得突破。国内研究氧化镓的机构和高校还包括西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、山东大学等。中国电子科技集团公司46所成功制作出国内第一块100mm单晶氧化镓晶圆。  

同时，也有专注于氧化镓的初创公司也出现，例如北京邮电大学的唐为华老师从2011年以来致力于氧化镓材料及器件形成科研成果的产业化平台北京镓族科技；中国科学院上海光学精密机械研究所与杭州市富阳区政府共建的“硬科技”产业化平台——杭州光机所孵化的科技型企业，杭州富加镓业。  

有分析师预测，到2030年，氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。2017年9月，氧化镓被科技部高新司列入重点研发计划；2018年3月，北京市科委率先开展了前沿新材料的研究，把氧化镓列为重点项目。此外，安徽等省/市也在“十四五”科技创新规划公布的集成电路重大专项中提出，研发氧化镓等宽禁带半导体材料、工艺、器件及芯片。

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