目前，以碳化矽(SiC)和（hé）氮化镓(GaN)為代表的第三代半導體（tǐ）受到廣泛的關注，人們（men）對SiC在新能源汽（qì）車（chē）、電力能源等大功率、高溫、高壓場合，以及GaN在快充領域的應用前景寄（jì）予厚望，學術界、投資界和產業界都認（rèn）可其將（jiāng）發揮傳統矽器件無法實現的作用。

然（rán）而，SiC 和 GaN 並不是終點，近年來日本對（duì）氧化（huà）镓(Ga2O3，後簡稱GaO，與（yǔ）GaN對照（zhào）)的研究屢次取得進展，使這種（zhǒng）第四代半導體的（de）代表材料走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優的特性，以及極低的製造成本，在功（gōng）率應（yīng）用方麵具有（yǒu）獨特優勢。因此，近幾年關於氧化镓（jiā）的研究又熱了起來（lái）。

實際上，氧化镓並不是很新的技術，一直以（yǐ）來都有公司和研究機構對其（qí）在功率半導體領域（yù）的應用進行鑽研。但受限於材料供應被日本兩家公司壟斷（duàn），研究受到比較大的阻礙，相關研發工作的風頭都被後二者搶去。而隨（suí）著應用需求的發展愈加明（míng）朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，人們更（gèng）深切地看到（dào）了氧化镓的優勢和前景，相應的研發工作又多（duō）了起（qǐ）來，氧化镓已（yǐ）成為美國、日本、德國等（děng）國家的研究（jiū）熱點（diǎn）和競爭重點。另一方麵，我國在這方麵的研究仍比較欠缺，在日本已經（jīng）可以推出批量產品（pǐn）、我國國內市場每年翻倍的（de）當下（xià），國內（nèi）產業化（huà）程度仍（réng）處於非常初級的階段。

氧化镓材料（liào）的特（tè）性

氧化镓是（shì）金屬镓（jiā）的氧化物，同（tóng）時也是一種半導體化合物。其結晶形態截（jié）至目（mù）前（qián）已確認有α、β、γ、δ、ε五種（zhǒng），其中，β相最穩定。

圖：β相（xiàng）氧化镓（jiā）晶體結構（網絡（luò））

業界與GaO的結晶生長（zhǎng）及（jí）物性相關的（de）研究報告大部分（fèn）都使用β相，國內也普遍使用β相展開研發（fā）。β相具備名為“β-gallia”的單結晶構造。β相的帶隙（xì）很大，達到4.8～4.9eV，這一數值為Si的4倍多（duō），而（ér）且也超過了（le）SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情況下，帶隙較（jiào）大，擊穿電場強度也會很（hěn）大（dà）。β相的（de）擊穿電場強度估計為8MV/cm左右，達到Si的20多（duō）倍，相當於SiC及GaN的2倍以（yǐ）上，目前已有研究機（jī）構實際做出來6.8MV/cm的器件。

圖：半導體材（cái）料（liào）特性（郝躍院士）

β相在展現出色的物性參數的同時，也（yě）有一些不如SiC及GaN的方麵，這就是遷移率和導熱率低，以及難以製造p型半導體。不過（guò），目前研（yán）究表明這些方麵對功率元（yuán）件的特性（xìng）不會有太大的影響。之所以說（shuō）遷移（yí）率低不會（huì）有太大問題（tí），是因為功率元件的（de）性能很大程度上取決於擊穿電場強度。就（jiù）β相（xiàng）而言，作為低損失（shī）性指標的“巴利加優值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場強度的3次方（fāng）成正比、與遷（qiān）移率的1次方成（chéng）正比。巴加利優（yōu）值較（jiào）大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。

Baliga性能指數是由原在美國General Electric從事多（duō）年功率半導體研發工（gōng）作、現在美國北卡（kǎ）羅萊納州（zhōu）州立大學擔任名譽教授的Jayant Baliga先生提出的，用於Power MOS FET等單極元件(Unipolar Device)的性（xìng）能評價。有將低頻的（de）理論損耗定量化的（de）“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和將高頻的理論損（sǔn）耗定量化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半導體的研發（fā）領域，一般多實（shí）用低頻的BFOM。

圖：功率半導體材料對比（半導體行業（yè）觀察譯自PC.watch）

由於β相的巴（bā）利加優（yōu）值較高，因此，在製造相同耐壓的單極功率器件時，元件的（de）導（dǎo）通電阻（zǔ）比采用 SiC 或 GaN 的低很（hěn）多，有實（shí）驗數據表明，降低導（dǎo）通（tōng）電阻有利於減少電源電（diàn）路在導通（tōng）時的電力損耗。使（shǐ）用β相的功率器件，不（bú）僅能減少導通時的電力損耗，還可降低開關時的損耗，因為在耐壓 1kV 以上的（de）高耐壓應（yīng）用方麵，可以使用單極元件。

圖：在電流和電壓需求方麵Si，SiC，GaN和GaO功（gōng）率電子（zǐ）器（qì）件的（de）應用(Flosfia介紹（shào）)

比如，設有利用保護膜來（lái）減輕（qīng）電場向柵（shān）極集中的單極晶體（tǐ）管（guǎn）(MOSFET)，其耐壓可達到 3k～4kV。而（ér）使用矽的話，在耐壓為 1kV 時就必（bì）須使用雙極元件，即便使用耐壓較高的 SiC，在耐壓為 4kV 時也（yě）必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴為載流子，與隻以電子為載流子的單極元件相比，在導通和截止的開（kāi）關操作（zuò）時，溝道內（nèi）的載（zǎi）流子的產生和消失會耗費時間，損失容易變大。

在熱導（dǎo）率方麵，如果該參數低，功率器件很難在（zài）高溫（wēn）下工作。不過，實際應用中的工作溫度一般不會（huì）超過 250℃，因此，實際應用當中不會在這方麵出現大的問題。由於封裝有功率器件的模塊和電源電路使用的（de）封裝材料、布線、焊（hàn）錫、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過 250℃，因此（cǐ）功率器件的工作溫度也要控製（zhì）在這一水平之下。

再從另一（yī）個角度看，易於製造的天（tiān）然襯底，載流子濃度的控製以及固有的熱穩（wěn）定性也推動了GaO器件的發展。相關論文（wén）表示，用Si或（huò）Sn對GaO進行N型摻雜時，可以實現良好的可控性（xìng）。

盡管某些UWBG半導體（例如氮化鋁AlN，立（lì）方氮化硼c-BN和金（jīn）剛石）在BFOM圖表中擊敗了GaO，但它們的材料（liào）製備、器件加工（gōng）等環節受到（dào）了嚴格的限製（zhì）。換而言之，AlN、c-BN和金剛石仍然缺乏大規模產業化的技術積累。

圖：關鍵材料（Si,SiC,GaN,GaO）特性對比（IEEE）

相關統計數據顯示，從數（shù）據上看，氧化镓的損耗理論上（shàng）是矽的1/3,000、碳化矽的1/6、氮化镓的1/3，即在SiC比Si已經（jīng）降低86%損（sǔn）耗的基礎上，再（zài）降低86%的（de）損（sǔn）耗，這讓產業（yè）界人士對其未來（lái）有很高的期待。

圖：GaO成本構成（Compound Semiconductor）

而成本更（gèng）是讓其成為一個吸引產業（yè）關注的另一個重要因（yīn）素。

SiC晶錠的製作普遍采用PVT法，將固態SiC加熱至2500℃升華後再在溫度稍低的高質量SiC籽晶上重新結晶，核心難點在於：

1）加熱溫度高達2500℃，且SiC生長速度（dù）很慢（<1mm>

2）生（shēng）長出的晶錠尺寸遠遠短於（yú）Si；

3）對籽晶（jīng）要（yào）求很高，需要具備高質量（liàng）、與所需晶（jīng）體直徑一致等特點；

4）SiC晶錠硬度較（jiào）高（gāo），加工及拋光難度大；

基於SiC襯底，普遍（biàn）采用化學氣相沉積技術（CVD）獲得高質量外延層，隨後在（zài）外延層上進行功率器（qì）件的製造。由（yóu）於SiC襯底晶圓相比Si具（jù）有更（gèng）高的缺陷密度，會進一步幹擾外延層生長，外延層本身也（yě）會產生結晶缺陷（xiàn），影響後（hòu）續器件性能。

GaO和（hé）藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結（jié）晶狀態。實際上，通過運用（yòng）與藍寶石晶圓生產（chǎn）技術相同的導模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已（yǐ）試做出最大直徑為（wéi）6英寸（150mm）的晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶（jīng）圓已經開始銷售作研究開發方向的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低（dī）廉（lián）、生長速度快、生長晶體尺寸大。

另一家Flosfia使用的“霧化法”已製作出4英寸（100mm）的α相（xiàng）晶圓（yuán），成本已接近於（yú）矽。而碳化（huà）矽（guī）（ SiC ）與氮化（huà）镓 （GaN）材料目前隻能使用（yòng）“氣相法”進行製備，未來成本也將繼續受（shòu）到襯（chèn）底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對於 GaO來說，高質量與大尺寸（cùn）的天然襯底，相對於目前（qián）采用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術，將具備獨（dú）特（tè）且顯著的成本優勢。

氧化镓的研發及產業化現狀

因為擁有如此多的（de）優勢，氧化镓被看作一個比氮化镓擁有更廣闊前景（jǐng）的（de）技術。

據市場（chǎng）調查公司（sī）--富士經濟於2019年6月5日公布（bù）的（de）Wide Gap 功（gōng）率半（bàn）導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化镓功率元件的（de）市場規模將會達到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個（gè）市場規模要比氮化镓（jiā）功率元件的規模（1,085億日元，約人（rén）民幣65.1億元（yuán））還要大！

在SiC或GaN方麵，從產業鏈分（fèn）工的角度來看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底→外延→器件（jiàn）→模塊垂直供應的體係。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購（gòu）買襯底，隨後自行進行外延生長並製作器件及模塊。

在氧化镓方麵，日本在襯底-外延-器件等方麵的研發全球（qiú）領先（xiān）。不（bú）過研（yán）究氧化镓功率元件並進行開（kāi）發的並不是上述範（fàn）疇的大中型功率半導體（tǐ）企業，而是初創企業。

1、日本

據日（rì）本媒體（tǐ）2020年9月報道，日本經濟產業省（METI）正（zhèng）準備為致力於開發新一代低能耗半導體（tǐ）材（cái）料“氧化镓（jiā）”的私營企（qǐ）業和大學提供財政（zhèng）支（zhī）持。METI將為2021年留出大約2030萬美元（yuán）的資金，預（yù）計未來5年的投資額將超過8560萬美元。METI認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末（mò）開始為數（shù）據中（zhōng）心、家用電器和汽（qì）車供應基於氧化镓的半導體。一旦（dàn）氧化镓取代目前廣泛使用的（de）矽材料，每年（nián）將（jiāng）減少1440萬噸二氧化（huà）碳（tàn）的排放。

資料顯示， 日本功率元件方向的氧化（huà）镓研發始於以下三位：日本國立信息通信技術研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的東脅正高先生、京都大學的藤田靜雄教授、田村（Tamura）製作所的倉又朗人先生。

NICT的東脅先生（shēng）於2010年3月結束在美國大學的（de）赴任並返（fǎn）回（huí）日本，以氧化镓功率元件作（zuò）為新的研發主題並進行（háng）構想（xiǎng）。

京都大學的藤田教授於2008年發布了（le）氧化（huà）镓深紫外線檢測和（hé）Schottky Barrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上（shàng）的外延生（shēng）長（Epitaxial Growth）等研發成果後，又通過利用（yòng）獨自研發（fā）的“霧化法”薄（báo）膜生產技術（Mist CVD法）致力於研發（fā）功率元件。

倉又先（xiān）生（shēng）在田村（Tamura）製作所負責研發LED方向的氧化镓單晶晶圓，並將應用在功率半導體方向。

三人的接觸與新能源·產業技（jì）術綜合開發機構（NEDO）於2011年（nián）度提出的“節能革新技術（shù）開發事業—挑戰研發（事前（qián）研發一體型）、超耐高壓氧化镓功率元件的研發”這（zhè）一委托研發（fā）事業有一定（dìng）關聯，接受（shòu）委托的是NICT、京都大學、田村製作所等。可以說，由這一委托開啟（qǐ）了GaO功率元件的（de）正式（shì）研發。

2011年，京都大學投（tóu）資成立（lì）了（le）公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村製作所合作投資成立了氧化镓產業化企業“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。現在，兩家公司都是日本氧化镓研發的中堅（jiān）企業（yè），必須強（qiáng）調的是，這也是世界上（shàng）僅有的兩家能夠量產GaO材（cái）料及器件的企業（yè），整個業界已經呈現出“All Japan”的景象。

（1）Flosfia

2011年由京都大學投資成立（lì），在2017年獲得B輪融資750萬歐元（500萬英鎊），2018年三菱重工和電（diàn）裝等大企業已經聯名參與了其C輪融資，累計融資接近5億人民幣。

在對成本要求嚴格的電動汽車、“廉價化”的家電等數碼機器（qì）方麵，碳化矽（guī）和氮化镓即使性能卓越，製造商也難以接受其價格，成本問題阻礙著產業界對（duì）新（xīn）半導體的材料（liào）的（de）導入。 FLOSFIA公司的“噴霧幹燥法”（MistDry）先（xiān）將氧化镓溶解於某種幾十種（zhǒng）配方混（hún）合而成的溶（róng）液裏，然後將溶液以（yǐ）霧狀噴在藍寶石襯底上（shàng），在藍寶石基板上（shàng）的溶液幹燥之前，就形成了氧化镓結晶。這樣通過從液態直接獲得GaO襯底，不需要高溫、超潔淨的環（huán）境，實現了超低成本製造GaO。

圖：MistCVD原理圖（ Electronics Weekly）

這種溶液常溫下是液體，蒸發溫度不需要達（dá）到1,500度，幾百度就足夠，而且製作（zuò）結晶的環境是在常溫空氣中，沒有任（rèn）何高成本（běn）的環節。如果考慮做小尺寸，有望（wàng）可以製造出和矽同樣價格（gé）、比矽（guī）性能（néng）更好的半導體（tǐ）。

圖：直徑為4英寸的藍寶石襯底上形成的（de）Ga 2 O 3薄膜（mó）(FLosfia官網)

從（cóng）官網（wǎng）可以（yǐ）看到，公（gōng）司在2015年所首發的肖特基勢壘二極管（SBD）已（yǐ）經送（sòng）樣，而其521V耐（nài）壓（yā）器件的導通電阻（zǔ）僅為0.1mΩ/cm²，855V耐壓的（de）SBD導通電阻僅為0.4mΩ/cm²，損耗僅為SiC的1/7，由此足以見證（zhèng）新材料器件的優勢。

圖：Flosfia製作的超低導通電阻SBD(FLosfia官網)

因為材料屬性的原因，有專家認為用氧（yǎng）化（huà）镓無（wú）法製造P型半導體。但（dàn）京都大學的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開發（fā）出了具有藍寶石結（jié）構的GaO常關型晶體管（MOSFET）。

圖（tú）：常關GaO MOSFET的IV曲線(FLosfia官網)

常關型MOSFET 的第一個α相GaO由N +源/漏（lòu）極層、p型阱層、柵極（jí）絕緣體和電極組成（chéng）。從IV曲線外推的柵極閾（yù）值電壓為（wéi）7.9V。該器件由新型p型剛玉半導體製成，其起到反型層的作用。團（tuán）隊（duì）在2016年發現p型（xíng）氧化銥Ir 2 O3，終於製（zhì）作出（chū）了常關GaO MOS。

圖：常關型GaO MOSFET器件橫截麵示意（yì）圖(FLosfia官網)

圖：常（cháng）關型GaO MOSFET的光學顯微照（zhào）片(FLosfia官網)

FLOSFIA總（zǒng）部位於日本京（jīng）都，專門從事霧化學（xué）氣相沉積（CVD）成膜。利用氧化镓的物理特（tè）性，FLOSFIA致力於開發低損耗功率器件。該公司成功開發了一種SBD，其具有目前可（kě）用的任何類型的最低特定導通電阻，實現與降（jiàng）低功率相關的技術，比（bǐ）以（yǐ）前減少了90％。

2018年，電裝與FLOSFIA宣布合作研發新一代功率半導體設備（bèi）,旨在降低電動車用逆變器的能耗、成本（běn）、尺寸及重量。

同樣（yàng）也是在2018年，電裝與Flosfia決定共同開發麵向車載應用的下一代Power半（bàn）導體（tǐ）材料氧化镓（α相GaO）。據電裝表示，通（tōng）過這兩（liǎng）家（jiā）公（gōng）司對麵向車載的氧（yǎng）化（huà）镓（α相GaO）的聯合開發，電動汽車的主要單元PCU的技術革新指日可待。此（cǐ）技（jì）術將對電動汽（qì）車的更輕量化發展及節約能源降（jiàng）低耗電起到積極作用，從而實現人、車、環（huán）境（jìng）和諧共存。

圖：Flosfia GaO評估板（集微網）

據EE Times Japan報道，FLOSFIA在2019年12月11日（rì）-13日（rì）召開的“SEMICON Japan 2019”上展示了（le）GaO功率器件（jiàn）和（hé）評估板（bǎn），並計劃（huá）於2020年進行全球範圍內首次GaO肖特基勢壘二極管的量產。FLOSFIA方麵稱目前常關型（xíng）GaO MOSFET的溝道遷移率已遠遠超（chāo）過了商用SiC，讓（ràng）這項技術和產品有望應用於需要安全性的各種電源中，並有望應（yīng）用在電動汽（qì）車和消費級（jí）快充中，和SiC擁（yōng）有同等水平或以上性能的GaO MOSFET價格（gé）也會更便宜。Flosfia計劃2021年實現GaO器件量產，業界正拭目以待。

（2）Novel Crystal Technology（以（yǐ）下簡稱NCT）

NCT成立於2015年，公司所采用的（de）方案（àn）是（shì）基（jī）於HVPE生長的GaO平麵外延芯片，他們的目標是加快超低損耗（hào）、低成本β相GaO功率器件的（de）產品開發。

資（zī）料顯示，NCT已經（jīng）成功開發，製造和銷售了直徑最大為4英（yīng）寸的氧化镓晶片。而在2017年11月，NCT與田村製作所（Tamura Corporation）合作成功開發了世（shì）界上第一個由氧化镓外延膜（mó）製成（chéng）的溝槽型MOS功率晶體（tǐ）管，其功耗僅為傳統矽MOSFET的1/1000。

圖：氧化镓溝（gōu）槽MOS型功率晶體管的示意圖(NCT官網（wǎng）)

按照他們的規劃，從2019財年下半年開始，NCT將開始提供擊穿電（diàn）壓為650V的β相GaO溝（gōu）槽型SBD的10-30A樣品。他們（men）還打算（suàn）從2021年開始推進大規模（mó）生（shēng）產的（de）準備工作（zuò）。公司（sī）還致力於快速開發100A級別的β相GaO功（gōng）率器件。

此外，日本早稻田大學采用（yòng）FZ法生長出β-Ga2O3單（dān）晶。在單（dān）晶生（shēng）長過程中通入適量O2抑製β-Ga2O3分解，晶體生長速度為1～5mm/h，直徑最大（dà）為2.54cm，長度約為50mm。

2、美國

（1）空軍研究室（shì）（AFRL）

美國（guó）空軍（jun1）研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領導的團隊探索了GaO材料的特性，結果顯示，GaO材料的（de）速度和高臨界場強在快速功率開關和（hé）射頻功率應用中具有顛覆性的潛力。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的GaO研究基礎，獲（huò）得了（le）首批樣品。

圖：AFRL製作的（de）2英寸帶有GaN外延層的（de）Synoptics 氧化镓晶體管（Compound Semiconductor）

此後，Kelson Chabak接任（rèn）團隊負責人，他們從（cóng）唯一的商業供應商Tamura采購了襯底，並聯係了Tamura投資的NCT購買外延片，同時也從德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）采購外延片。

Chabak表示（shì）：“我們之所以能夠成為該領（lǐng）域的領導者，是因為（wéi）我們（men）能夠盡早獲得（dé）材料”。

AFRL在2016年報告了一個有IKZ外延片製作的MOSFET，該（gāi）器件在0.6um的G-S漂移（yí）區內承載電壓高達230V，意味著平均（jun1）臨界場（chǎng）強達到（dào）了3.8MV/cm，大約是（shì）4倍於GaN的臨（lín）界場強（qiáng），成為了“燎原之火”。

更重要的是，Chabak指出GaO的低熱導率（lǜ）並不會阻礙其成為主流射頻功率器件的因素（sù），並用一些模型證明了倒裝芯片技術和背麵減薄技術相結合，可（kě）以讓器件熱阻達到接近SiC的水平。

AFRL目前致力於在短期內突破電子束光刻技術引入（rù）到製程工藝（yì）中（zhōng），並（bìng）將晶體管的尺寸降到um以下，這樣將可使器件具（jù）備非常高的速度和（hé）擊穿（chuān）電壓，成為快速開關應用的有力競爭產品。

AFRL正在試圖（tú）突破GaO外延技術，並且（qiě）資助了諾格公司的子公司Synoptics開發GaO的襯底（dǐ）生長技術，當各個環節具備之後，美國將（jiāng）是（shì）第二個徹底實現全產業鏈國產（chǎn）化的國家。

（2）美國紐約州立大學布法羅分校（UB）

據外媒報（bào）道，2020年4月，美國紐約州立大學布法羅分校（the University at Buffalo）正在研發一款基於氧化镓的晶體管，能夠承受8000V以上的電壓，而且隻有一張紙那麽薄。該團隊在2018年製造了一個由5微米厚（一張紙厚約100微米）的（de）氧（yǎng）化镓製成的MOSFET，擊穿電壓為1,850 V。該產品將用於製造更小、更高效的電子係統，應用（yòng）在電動汽車、機車和飛（fēi）機上。

3、德國

關於德國開展氧化镓研究的報道較少，目前僅看到德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）2009年開始研發和生長GaO晶體（tǐ），使用提拉法（fǎ），采（cǎi）用銥金（jīn）坩（gān）堝，包括活動的銥（yī）金後加熱器，生長出的晶體直徑為2英（yīng）寸，長度為（wéi）40～65mm，晶體的結晶（jīng）特性較好。此外，其也為美國AFRL供應了GaO外延片。

4、中（zhōng）國

我國其實開展氧化（huà）镓研究已經十餘（yú）年（nián），但是直到近年來（lái）46所的技術突破才實現了距離產（chǎn）業化“一步（bù）之遙”，從公開資料能了解到目前從事GaO材料和器件研究的單位和企業，主要是中電科46所、西（xī）安電（diàn）子科技大（dà）學、上海光機所、上海微係統所、複旦大學、南京大學等高校及科研院（yuàn）所，科技成（chéng）果轉化的公司有北京镓族科技、杭州富加镓業。國（guó）內（nèi）團（tuán）隊未見關於GaO MOS的報（bào）道。

（1）中（zhōng）電科46所

據觀察者網在2019年2月的（de）報道，中國電科46所經過多年氧化镓晶（jīng）體生長技（jì）術探索，通過改進熱（rè）場結構、優化生長氣（qì）氛和晶體生長工藝，有效（xiào）解決了晶體（tǐ）生長過程中原料分解、多晶（jīng）形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功在2016年製備出國內第一片高質量的2英寸氧化镓單晶，在2018年底（dǐ）製備（bèi）出（chū）國內第一片高質量的4英寸氧化镓單晶。報道指出，中國（guó）電科46所製備的氧化（huà）镓單晶的寬度接近100mm，總長度（dù）達到250mm，可加工（gōng）出4英寸（cùn）晶圓、3英（yīng）寸晶（jīng）圓和（hé）2英寸晶圓。這也是目前為（wéi）止國內唯一能夠達到該尺寸的記錄保（bǎo）持（chí）者。

（2）西電（diàn）大學/微係統（tǒng）所

據中國科學院上海微係統與信息技術研究所報（bào）道，在2019年12月，中國科學院上海微係統與信息技術研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學郝躍課題組教授韓根全攜手，在氧化镓功率器件領域取得了新進（jìn）展。歐欣課題組和韓根全（quán）課題組利用“萬能離子刀”智能剝離（lí）與轉移技術，首次將晶圓（yuán）級β相GaO單晶薄膜（400nm）與（yǔ）高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，並製備出高性能器（qì）件。報道（dào）指出（chū），該工作在超寬禁帶材料與功率器件領域（yù）具有裏程碑（bēi）式的（de）重要意義。首（shǒu）先（xiān），異（yì）質集成為GaO晶圓（yuán）散熱問題提供了最優解決方案，勢必（bì）推（tuī）動高性能GaO器件研究的發展；其次，該（gāi）研究將為我國GaO基（jī）礎研究和工程化提供優質的高導熱襯底材料，推動GaO在高功率器件領（lǐng）域的規模化（huà）應用。

（3）複（fù）旦大學

在2020年6月，複旦大學方誌來團隊在p型（xíng）氧化镓深紫外日盲探測器研究中（zhōng）取得重要進展。報道表示，方誌來團隊采用固-固相變原位摻雜技術，同時實現了高摻雜濃度、高晶體（tǐ）質量與能帶工程（chéng），從而部分解決（jué）了氧化镓的p型摻雜困難問題（tí）。

（4）北京镓族科技

資料顯示，北京镓族科技有限公司成立於2017年年底，是國內首家、國際第二家專業從事第四代（超寬禁帶）半導體氧化镓材料開發及應用產業化的高科技公司，是北京郵電大學的唐為華老師從2011年以來致力於氧化镓材料（liào）及器件形成科研成果的產業化平台。

公（gōng）司研發和（hé）生產（chǎn）基於新型超寬禁帶半導體材料氧化镓的高質量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件、高頻大功率器件，已與合作單位一起已經實現1000V耐壓的肖特基（jī）二極管模型製作，並已經實現5000V耐壓的MOSFET模型製作，開發出氧化镓基日盲紫（zǐ）外探測器分立器件和陣列成（chéng）像器件，為深紫外光（guāng）電器件提供了良好解決方案，可支持極弱火焰和極弱電弧實時檢測等（děng），並已推出係統化（huà）模塊。公司已申（shēn）請40餘項專利（lì），完成了（le）產業中試的前期技術、人員、軟硬件（jiàn）等（děng）量（liàng）產化要求的（de）所有準備工作。公司擁有廠房麵積1500平米，涵蓋完整的產業中試產線，具備研發和小批量生（shēng）產（chǎn）能力，初步構建了（le）氧化單晶襯底、氧化镓異（yì）質/同質外延襯底生產和研發平台。未來將不斷完善晶體（tǐ）生長（zhǎng）、晶體加工、外延薄膜性能測試、微納加（jiā）工、聯合研發等六大（dà）平台（tái）搭建。

（5）杭州富加（jiā）镓（jiā）業

據官網信息（xī），公司成立於（yú）2019年12月（yuè），注冊資金500萬，是由中國科學院（yuàn）上海光學精密機械研究（jiū）所（suǒ）與杭州市富陽區政府共建的“硬科技”產業化平台——杭州光機所孵化的（de）科技型企業。

富加镓業專注於寬禁帶半導體材料研發，公司核（hé）心創始人具有中科院博士、劍橋大學博士等材料領域的深厚（hòu）背景，團隊成員主要來自中國科（kē）學院、美英海歸等業內資深人才，研發人員中（zhōng）碩士以上比（bǐ）例達到80%；公司廠房麵積八千餘平米，擁有多台大尺寸導模法晶體生長爐（lú）、多氣氛晶體退火爐、高精密（mì）拋光機等儀器設備，為公司的發展提供了基（jī）礎支撐和持續創新（xīn）動力硬件（jiàn）保證。

富加镓業最初（chū）技（jì）術來源於中科院（yuàn）上海光（guāng）機所技術研發團隊，該團隊是我國最早從事氧化镓晶體生長的團隊，從04年開（kāi）始即開展（zhǎn）研究。富加镓業專業（yè）從事氧化镓單（dān）晶材料設計、模（mó）擬（nǐ）仿（fǎng）真、生長及性能表征等工作，形成了較鮮明的特色和優勢。我們注重知識（shí）產權保（bǎo）護和氧化镓相關基礎探索研究工作，在（zài）全（quán）球（qiú）範圍內對氧化镓晶體材（cái）料生長及上下（xià）遊應用領域的專利進行布局，申請進（jìn）入歐盟、美國、日本、韓國、新加坡等國家。團隊的氧化镓（jiā）晶體材料及器件基礎研究成果（guǒ），多篇科研論文已發表在國際頂級學術期刊上（shàng），與全球科研工作者（zhě）共享最新（xīn）研究成果，共同推（tuī）動全球第四代半導（dǎo）體相關行業的發展。

（6）其他

山東大學采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法研（yán）究了β相GaO薄膜的生長及其光學性質。北京郵電大學、電子科技大學、中山大（dà）學也分別獨立開展了β相GaO薄膜及日盲紫外探測（cè）器的研（yán）究，已取得了一些重要的研究成果，但基本未見在晶體材料方麵的相關報道。

5、其他（tā）

印度的Raja Ramanna先進（jìn）技術（shù）中心采用類（lèi）似EFG的方法，生長出（chū）直徑5～8mm、長度40～50mm的（de）低缺陷β相（xiàng）GaO單晶，（400）麵（miàn）XRC半高寬約為0.028°。

葡萄牙聖地亞（yà）哥大學采用激光加熱浮（fú）區法生長出了離子摻雜和非摻的低缺陷β相GaO晶體光纖。

隨著電動車和便攜式（shì）用（yòng）電的需求成為主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已經明顯（xiǎn）在（zài）第（dì）四代半（bàn）導體的氧化镓材料方麵處於領（lǐng）先優勢，日本（běn）半導體界也將GaO作為日（rì）本半導體產業“複興的鑰匙（shí）”，已在國內掀起研發和應用的熱潮。與此同時，美（měi）國、中國、歐洲等也正在試圖追趕，可以想到的是，美日雙方從材料供應到技術合作必然要比中日合作更加深入（rù），這場功率器件競賽已然拉（lā）開帷幕，而中國將（jiāng）可能獨（dú）自前行。

功率半（bàn）導（dǎo）體的行（háng）業特征適合（hé）氧化镓器件的爆發式增（zēng）長

功率半導體用於所有（yǒu）電力電子領域，市場成熟穩（wěn）定且增速緩慢。但（dàn）是（shì），業界對於（yú）更大功率（充放電更快）、更高（gāo）效節能（減少發熱更（gèng）安全環保）、更小體積和重量（更便（biàn）攜易安裝維護）以及更低（dī）成本（更廣闊的應用和（hé）市場）的追求是永無（wú）止境的。因此近（jìn）年來，新能源汽車、可再生能源（yuán）發電、變頻家電、快充等新（xīn）應用領域（yù）迎來（lái）了新的巨大增長點。

①行業特征一：不（bú）需要追趕摩爾定（dìng）律，一般使用0.18~0.5um製程即（jí）可，倚重材料質量，對材料和器件的生產（chǎn）工藝要求高，因整體趨向集成化、模塊化，需要開發新的（de）封裝設計。

l 設計（jì）環節：功率半導體電路結構簡單（dān），不需要像數字邏輯芯片在架構、IP、指令集、設計流程、軟（ruǎn）件（jiàn）工具等投入大量資本。

l 製造環節：因不需要追趕摩爾定律，產線對先進設備依（yī）賴度不高（gāo），整體資本支出較小。

l 封裝環節：可分為分立器件封裝和（hé）模塊封裝，由於功率器件對可靠性要求非常高，需采用（yòng）特殊設（shè）計和材料，後道加工價值量占比達35%以上，遠高於普通數字邏輯芯片的10%。目前，根據在研項目和產品（pǐn）布局（jú）看，國內（nèi）企業開始向（xiàng）價值量更（gèng）高的中高端（duān）產品轉（zhuǎn）型。

②行業特征二（èr）：功率半導體行業一般采用IDM模式，更（gèng）適合（hé）企（qǐ）業做大做強（qiáng）。上遊的襯底、外（wài）延企業雖可以成為單獨環節（jiē），但如特征一所述，工藝占（zhàn）比很高，芯片設計和製造環節（jiē）是要集成在一起的，否則（zé）將喪失技術進步的能力，並且產（chǎn）能受到限製，因（yīn）此委外代工僅可（kě）作為低端產品的產能補充。

③行業特征三：新能（néng）源（yuán）車（chē）等新興應（yīng）用不斷推動新半導（dǎo）體材料興起。

氧化镓單晶材料在功率電子器件方麵具有極大的應用潛（qián）力。典型的（de）應用領（lǐng）域包括：電動汽（qì）車、光伏逆變器、高鐵輸電、軍用電磁軌道炮、電磁彈射、全（quán）電（diàn）艦艇推進等；除此（cǐ）之外，氧化镓自身即有不錯的射頻特性，當前由於低成（chéng）本及與GaN的低失配的特性，還可用於GaN材料的外延襯底（dǐ），GaN及HEMT具有功率密度高、體積小（xiǎo）、可工作在40GHz等優（yōu）點，是（shì）5G基站攻略放大器的首選材料。因此，5G行業的迅速發展也將帶（dài）動氧化镓單晶襯底產（chǎn）業的（de）迅速發展。

新能源、5G等新興應用（yòng）加速第三代和第四代半導體材料產業化需（xū）求，我國市場空間巨大且有望在該領域快速縮（suō）短和海（hǎi）外企業的差距。

①天時：第四代材料在高功（gōng）率（lǜ）、高頻率應用場景具有配合第三（sān）代半導體取代矽材的潛力，行業（yè）整體都（dōu）處於產業化起步階段。

②地利（lì）：受下（xià）遊新能源車、5G、快充（chōng）等（děng）新興市場需求以（yǐ）及潛在的矽材替換市場驅動（dòng），目前（qián）深入研究（jiū）和產業化方向以SiC和GaN為（wéi）主，GaO的技術儲備（bèi）較弱，真（zhēn）正有技術（shù）的公（gōng）司麵對的競爭壓力小。

③人和：第四代半導體核心難點在材料製備，材料（liào）端（duān）的突（tū）破將獲得極大的市場價值，可獲得國家在政策和資金方麵的大力支持。

我國發展氧化镓的機遇與挑戰

從Yole的報道中可以看出，綠色線代表的GaO尺寸以前所未有的斜（xié）率（lǜ）快速增長，這得益於其材（cái）料可以通過上文提到的液相法進行生長，且已（yǐ）經接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。

矽基材料經過了50年的發展，達到了目前的12寸（cùn）。

SiC材料（liào）的最大（dà）尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的（de）美國Cree公司所推出的8英寸襯（chèn）底樣品，其尚（shàng）未導入大規模商業化，產業界剛（gāng）剛準備規模化生產基於6英寸襯底的（de）功率器件。

由於國內LED產業的高度發展，業界基於8英寸矽基GaN的功率電子器件發展相對較快。

如此看來，GaO很有可能在尺（chǐ）寸方麵，即大規模製造的可能性和成本方麵（miàn）對上述（shù）造成後來者居上（shàng）的威脅。