目前，以碳化矽（guī）(SiC)和氮化镓(GaN)為代表的第三（sān）代半導體受到廣泛的關注，人們對SiC在新能源（yuán）汽車、電力能源（yuán）等大功率、高溫、高壓場合，以及GaN在（zài）快充（chōng）領域的（de）應用前景寄予厚望，學術界、投資界和產業界都（dōu）認可其將發揮傳統矽器件（jiàn）無法實現的作用。

然而，SiC 和 GaN 並不是終點，近年來日本對氧（yǎng）化镓(Ga2O3，後簡稱GaO，與（yǔ）GaN對照)的研究屢次取得進展，使（shǐ）這種第四（sì）代（dài）半導體的代表材料走入了人們（men）的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁（jìn）帶、耐高壓、大功率等更優的特性，以及極低的（de）製造成本，在功（gōng）率應用方麵具有獨特優勢。因（yīn）此，近幾年關於氧（yǎng）化镓的研究又熱了起（qǐ）來。

實（shí）際上，氧化镓並不是很（hěn）新的技術，一直以來都有公司和研（yán）究機構對其在功率半導體領域的應用進行鑽研。但受限於材料供應被日（rì）本兩家公（gōng）司壟斷（duàn），研究受到比較（jiào）大的（de）阻礙，相關研（yán）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（yù）加明朗，未來（lái）對高功率器件的性能要求越來越高，人們更深切地看到了氧化镓的優勢（shì）和前景，相應的研發工作又多了起來，氧（yǎng）化镓已成（chéng）為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。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（yǐ）推出批量產（chǎn）品、我國國內市場每年翻倍的當下，國內產業化（huà）程度（dù）仍處於非常初級的階段。

氧化镓材料的特性

氧化镓是金屬镓的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結晶形態截至（zhì）目（mù）前已確認有（yǒu）α、β、γ、δ、ε五種，其中（zhōng），β相最穩定。

圖（tú）：β相氧化镓晶體結構（網絡）

業界與GaO的結晶生長及物性相（xiàng）關的研究報告大部分都使用β相，國內也普遍使用β相展開研發。β相具備名為“β-gallia”的單結晶構造。β相的帶隙很大，達到（dào）4.8～4.9eV，這一數值為Si的4倍多（duō），而且也超過了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情況（kuàng）下，帶隙較大，擊穿（chuān）電場強度也會很大。β相的擊穿電（diàn）場強度估（gū）計為8MV/cm左右（yòu），達到Si的20多倍，相當於（yú）SiC及GaN的2倍以上，目前已有研究（jiū）機構實（shí）際做出來6.8MV/cm的器件（jiàn）。

圖：半導體材料特性（郝躍院（yuàn）士）

β相在展現出（chū）色（sè）的物性參數的同時，也有一些不如SiC及GaN的方麵，這就是（shì）遷移率和導熱率低，以（yǐ）及難以製造p型半導體。不過，目前研究表明這些方麵對功率元件的特性不會有太大的影響。之所以說遷移率低不（bú）會有太大問題，是因為功率元件的性能很大程度上取決（jué）於擊穿（chuān）電場強度。就β相而言，作為低損失（shī）性指標的“巴（bā）利加優值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場強度的3次方成正比（bǐ）、與遷移率的1次方成正比。巴加利優值（zhí）較大（dà），是（shì）SiC的約10倍、GaN的（de）約4倍。

Baliga性能指數是由原在美國General Electric從事多年功率半導體研發工作、現在美國北（běi）卡羅萊納州州立大學擔任名譽教授的Jayant Baliga先生提出的，用（yòng）於Power MOS FET等單極元（yuán）件(Unipolar Device)的性能評價。有將（jiāng）低頻（pín）的理論損耗定量化的（de）“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和將高頻的（de）理論損耗定量（liàng）化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半導體的研發領域，一般多實用低（dī）頻的BFOM。

圖：功率半（bàn）導體材料對比（半導體行業觀察譯自PC.watch）

由於β相的巴利加優（yōu）值較高（gāo），因此，在（zài）製造（zào）相同耐（nài）壓的單極（jí）功率器件（jiàn）時，元件的導通電阻比采用 SiC 或 GaN 的低很多，有實驗數據表明，降（jiàng）低導通電阻（zǔ）有利於（yú）減少電源電路（lù）在導通時的電力損耗。使用β相的功率器件，不僅能減少（shǎo）導（dǎo）通（tōng）時的電力損耗，還可降低開關時的損耗（hào），因（yīn）為在耐壓 1kV 以（yǐ）上（shàng）的高耐壓（yā）應用方麵，可以使用單極元件。

圖：在電流和電壓需求方麵Si，SiC，GaN和GaO功率電子器件的應（yīng）用(Flosfia介紹)

比如，設有利用（yòng）保（bǎo）護膜來減輕電場向柵極集中的單極晶體管(MOSFET)，其（qí）耐壓可達到 3k～4kV。而使用矽的話，在耐壓為 1kV 時就必須使用（yòng）雙極（jí）元件，即便使用耐壓較（jiào）高（gāo）的 SiC，在耐壓為 4kV 時也必（bì）須使用（yòng）雙（shuāng）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（hé）截止的開關操作時，溝（gōu）道內的載流（liú）子的（de）產生（shēng）和消失會耗費時間，損失容易變大。

在熱導率（lǜ）方麵，如果該參數低，功率器件（jiàn）很難在（zài）高溫下工作。不過，實際（jì）應用中的（de）工作溫度一般不會超（chāo）過 250℃，因此，實際應用當中不會在這方麵出現大的問題。由於（yú）封裝（zhuāng）有功率器件的（de）模塊和電（diàn）源電路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹脂等的耐（nài）熱溫（wēn）度（dù）最高也不過 250℃，因此功率器件的工作溫度也要控（kòng）製（zhì）在這（zhè）一水平之下。

再從另一個角度看，易於製造的天然襯底，載流子濃度的控製以及固有的熱穩定性也推動了GaO器件的發（fā）展。相關論文表示，用Si或Sn對（duì）GaO進行N型摻雜時，可以實現良好的可控性。

盡管某些UWBG半導（dǎo）體（例如氮化鋁AlN，立方氮化硼c-BN和（hé）金剛石）在BFOM圖表（biǎo）中擊敗了GaO，但它（tā）們的材料製備、器件加工等環節（jiē）受到了嚴格的限製。換而言之，AlN、c-BN和金（jīn）剛石仍（réng）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（xiǎn）示，從數據上看，氧化镓的損耗理論上是（shì）矽的1/3,000、碳化矽的1/6、氮化镓的1/3，即在SiC比Si已經降低86%損耗的（de）基礎上，再降低86%的損耗，這讓產業界人士對其未（wèi）來有（yǒu）很（hěn）高的期待。

圖：GaO成本構成（Compound Semiconductor）

而成本更是讓其成為一個吸引（yǐn）產（chǎn）業關注的另一個重要因素（sù）。

SiC晶錠的製作普遍采（cǎi）用PVT法，將固態（tài）SiC加熱至2500℃升（shēng）華後再在溫度稍低的（de）高質量SiC籽晶上重新結晶（jīng），核心難點（diǎn）在於：

1）加熱溫度高達2500℃，且SiC生長速度很慢（<1mm>

2）生長出的晶錠尺寸遠遠短於Si；

3）對籽晶（jīng）要求很高，需（xū）要具備高質量、與所需晶體直徑一致等特點（diǎn）；

4）SiC晶錠硬度較高，加工及拋光難度大（dà）；

基（jī）於SiC襯底，普遍采用化學氣相沉積技術（CVD）獲得高質（zhì）量外（wài）延層，隨後在外延層上進行功率器件的製造。由於SiC襯底晶圓相比Si具有（yǒu）更高的缺陷密度，會（huì）進一步幹擾外延層生（shēng）長，外延（yán）層本身也會產生結（jié）晶缺陷，影響（xiǎng）後續（xù）器件性能。

GaO和藍（lán）寶石一樣，可以從溶（róng）液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶（jīng）狀態。實（shí）際上（shàng），通過運（yùn）用與藍寶石晶圓生產技術相同的導模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日（rì）本NCT已試做出最大（dà）直徑為6英寸（150mm）的晶圓，直（zhí）徑為2英寸（50mm）的晶（jīng）圓已經開始銷售作研究開（kāi）發方向的用途。這種（zhǒng）工藝的特點是良品率高、成本低廉（lián）、生長速度快、生長（zhǎng）晶體尺寸大（dà）。

另一家Flosfia使用的“霧化法（fǎ）”已製作出4英（yīng）寸（100mm）的α相晶圓，成本已（yǐ）接近於矽。而碳化（huà）矽（ SiC ）與（yǔ）氮化镓 （GaN）材料目前隻能使（shǐ）用“氣相法”進行製備，未來成本也將繼續受到襯底高成本的阻（zǔ）礙而（ér）難以大幅度下降。對於 GaO來說，高質量與（yǔ）大尺寸的（de）天然襯底（dǐ），相對於目前采用的寬禁（jìn）帶 SiC 與 GaN 技（jì）術，將具備獨特且顯著的成本（běn）優勢（shì）。

氧化镓的研發及產業化現狀

因為擁有如此（cǐ）多的（de）優勢，氧化镓被看作一個比氮化镓擁有更廣闊前景的技（jì）術。

據市場調查公司--富士經（jīng）濟於2019年6月（yuè）5日公布的Wide Gap 功率半導體（tǐ）元件的全球市場（chǎng）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（bì）92.76億元），這（zhè）個市場規（guī）模要比氮化镓功率元件的（de）規（guī）模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！

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

在氧化镓方麵，日本在襯底（dǐ）-外延-器件（jiàn）等方麵的研發全球領先（xiān）。不過研究氧化镓功（gōng）率元件並進行開發（fā）的並不是（shì）上述範疇的大中型功率（lǜ）半導體企業（yè），而是初創企業（yè）。

1、日本

據（jù）日本媒體2020年9月報道，日本經濟產業省（METI）正準備為致力於開發新一代低能耗半導體材料“氧化镓”的私（sī）營企業和大學提供財政（zhèng）支持。METI將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預計未（wèi）來5年的投資額將超過8560萬（wàn）美元。METI認（rèn）為，日本公司將能夠在本世紀20年代末（mò）開始為數據中心、家用電器和汽車供應基於氧化镓的半導體。一旦氧化（huà）镓（jiā）取代（dài）目前（qián）廣泛使用的矽材料，每年將減少1440萬（wàn）噸二氧化碳的（de）排放。

資料（liào）顯示， 日本功率（lǜ）元件方向的（de）氧化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（lǎng）人先生（shēng）。

NICT的東脅先（xiān）生（shēng）於2010年3月結束在美國大學的赴任並返（fǎn）回日本，以氧化镓功率元件作為新的研發主題並進行構想。

京（jīng）都大學的藤田教授（shòu）於2008年發布了（le）氧化镓深紫外線檢測和Schottky Barrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發成果後，又通過利用獨自研發的“霧化法”薄膜生產技術（Mist CVD法）致力於研發功率元件。

倉又先生在田村（Tamura）製作所負責研發LED方向的氧（yǎng）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（xīn）能源·產業技術綜合開發機構（NEDO）於2011年度提出的（de）“節能革新（xīn）技術開發（fā）事業—挑戰研發（事前研發一體型（xíng））、超耐高壓氧化镓功率（lǜ）元件的研發（fā）”這（zhè）一委托研發事業有一定關聯（lián），接受（shòu）委托的（de）是NICT、京都大學、田村製作所等（děng）。可以說，由這一委（wěi）托開啟了（le）GaO功率元件（jiàn）的正式研發。

2011年，京都大學投資成立（lì）了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村製作所合（hé）作投資成立了氧化镓產業（yè）化企業“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。現在，兩（liǎng）家（jiā）公司都是日（rì）本氧化镓（jiā）研發的中堅企業，必須強調的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量（liàng）產GaO材料及器件的企業，整個業界（jiè）已經呈（chéng）現出“All Japan”的景象。

（1）Flosfia

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

在對成本（běn）要求嚴格的（de）電動汽車（chē）、“廉價化”的家電等數碼（mǎ）機器方麵，碳化矽和氮化镓即使性能卓越，製造商也難以接受（shòu）其價格，成本問題阻（zǔ）礙著產業（yè）界對新半導體的材（cái）料的導入。 FLOSFIA公司（sī）的“噴霧幹燥法”（MistDry）先將氧（yǎng）化镓溶解於某種幾十種配方混合而成的溶（róng）液裏，然（rán）後將溶液以霧狀噴在藍寶石襯底上，在藍寶石基板上的（de）溶液幹燥之前，就形成了氧化镓結（jié）晶。這樣通過從液態直接（jiē）獲得GaO襯底，不需要高溫、超潔淨的（de）環境，實現了超低成本（běn）製造GaO。

圖：MistCVD原（yuán）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（dù），幾百（bǎi）度就足夠，而且製作結晶的環境是在常溫空氣中，沒有任何高成本的環節。如果考慮做小尺寸，有望可（kě）以製造出和矽同樣價格、比矽性能更好的（de）半（bàn）導體。

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

從官網可以看到，公司在2015年所首發的肖特基勢壘二極管（SBD）已經送樣，而其521V耐壓器件的導通電（diàn）阻僅為0.1mΩ/cm²，855V耐壓的SBD導通（tōng）電阻僅為（wéi）0.4mΩ/cm²，損耗僅為SiC的1/7，由此足以見證新材（cái）料器件的（de）優勢。

圖：Flosfia製作的超低導通（tōng）電阻SBD(FLosfia官網)

因為材料屬性的原因，有專（zhuān）家認為用氧化镓無法製造P型半導體。但京都大學的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開發出了具有藍寶石結（jié）構的GaO常（cháng）關型晶體管（MOSFET）。

圖：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/漏極層、p型阱層、柵極（jí）絕緣體和電極組成。從IV曲線外推的（de）柵極閾值電壓為7.9V。該器件由新型p型剛玉半（bàn）導體製成，其起到（dào）反型層的作用。團（tuán）隊在（zài）2016年發現p型氧化銥Ir 2 O3，終（zhōng）於（yú）製作出了常關GaO MOS。

圖：常關（guān）型（xíng）GaO MOSFET器件橫截麵示意圖(FLosfia官網)

圖：常關型GaO MOSFET的（de）光學（xué）顯微照片(FLosfia官網)

FLOSFIA總部位於日本京都，專門從事霧化（huà）學氣相沉積（CVD）成膜（mó）。利用氧化镓的物理（lǐ）特性，FLOSFIA致力於開發低損耗功率（lǜ）器件。該公司成功開（kāi）發（fā）了一種SBD，其具有目前可用的任何類型的最低特定導通電阻，實現與降低（dī）功率相關的技術，比以前減少（shǎo）了90％。

2018年，電裝（zhuāng）與FLOSFIA宣布合作研發新一代功率（lǜ）半導體設備,旨在降低電動車用逆變器的能（néng）耗、成本、尺寸及重（chóng）量。

同樣也（yě）是在2018年，電裝與Flosfia決定共同開發麵向車載應（yīng）用的下一代Power半導體（tǐ）材（cái）料氧化镓（α相GaO）。據（jù）電裝表示，通過這兩家公司對麵（miàn）向車載的（de）氧化（huà）镓（α相GaO）的聯合開發，電動汽車（chē）的主要單元PCU的技術革新指日可待。此技（jì）術將對電動汽車的更輕量化發展及節（jiē）約能源降低耗電起到積極作用，從而實現（xiàn）人、車、環境和諧共存。

圖：Flosfia GaO評（píng）估板（集微網）

據EE Times Japan報道，FLOSFIA在2019年12月11日-13日（rì）召開的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器件和評估（gū）板，並計劃（huá）於2020年進行全球（qiú）範圍內首次GaO肖（xiāo）特基勢壘二極管的（de）量產。FLOSFIA方麵稱目前常關型GaO MOSFET的溝道遷移率已遠（yuǎn）遠超過了商用SiC，讓這項（xiàng）技術和（hé）產品有望應用於（yú）需要安全性的各種電源中，並有望應用在（zài）電動（dòng）汽車和消費級（jí）快充中，和（hé）SiC擁有同（tóng）等水（shuǐ）平或以上性能（néng）的GaO MOSFET價格也會更便宜。Flosfia計劃2021年實現GaO器件量產，業界正拭目以待。

（2）Novel Crystal Technology（以下簡稱NCT）

NCT成立於2015年，公司所采用的（de）方案是（shì）基於HVPE生長的GaO平麵外延芯片，他們的目標是加（jiā）快超（chāo）低（dī）損耗、低（dī）成本（běn）β相GaO功率器件的產品開發。

資料顯（xiǎn）示，NCT已經成功開發，製造和銷售了直徑最大為4英寸（cùn）的（de）氧化镓晶片。而在2017年11月，NCT與田村製作（zuò）所（Tamura Corporation）合作成功開（kāi）發了世界上第一個由氧化镓外延（yán）膜（mó）製成的溝槽型MOS功率晶（jīng）體管，其功耗僅為傳統（tǒng）矽MOSFET的1/1000。

圖：氧化镓（jiā）溝槽（cáo）MOS型功率（lǜ）晶體管的示意圖(NCT官（guān）網)

按（àn）照他們的規劃，從2019財年下半年開始（shǐ），NCT將開始提供擊穿電壓為（wéi）650V的β相GaO溝槽型SBD的10-30A樣品。他們還打算從（cóng）2021年開始推進大規模生產的準備（bèi）工（gōng）作。公司還致力於快速開發100A級別的β相GaO功率器件。

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

2、美國

（1）空（kōng）軍（jun1）研究室（AFRL）

美國空軍研究（jiū）室在2012年注意到了NICT的成功（gōng），研究員Gregg Jessen領導的團隊探索了GaO材料的特性，結果顯示，GaO材料的速（sù）度和高臨界場（chǎng）強（qiáng）在快速功（gōng）率開關（guān）和射頻功率應用中具有顛覆性的潛力（lì）。在這個成果的激勵（lì）下，Jessen建立了美國（guó）的（de）GaO研究基（jī）礎（chǔ），獲得了首批樣品。

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

此後，Kelson Chabak接任團隊負責人，他們從唯一的商業供應商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（dé）國萊布尼茨晶（jīng）體生長研究所（IKZ）采購外延（yán）片。

Chabak表示：“我們（men）之（zhī）所以能夠成為該領域的領導者，是因為我們能夠盡早獲得（dé）材料”。

AFRL在（zài）2016年報告了（le）一（yī）個有IKZ外延片製作的MOSFET，該器件在0.6um的G-S漂（piāo）移區內承（chéng）載電壓高達（dá）230V，意味著平（píng）均臨界場強達到了3.8MV/cm，大約是4倍於（yú）GaN的臨界場強，成（chéng）為了“燎原之火”。

更重要的是，Chabak指（zhǐ）出（chū）GaO的（de）低熱導率並不會阻礙其成為（wéi）主流射頻功率器件的因素，並用一些（xiē）模型證明了倒裝芯片技術（shù）和背麵減薄技術相結合，可以讓器件熱阻達到接近（jìn）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到（dào）製程工藝中，並（bìng）將晶體管的尺寸降到（dào）um以下，這樣將可使（shǐ）器件具備非常高的速度和擊穿（chuān）電壓，成為（wéi）快速開關應用的有力競爭（zhēng）產品。

AFRL正在試圖突破GaO外延技術，並且資（zī）助了諾格公（gōng）司的子公司Synoptics開發GaO的襯底生長技術，當各個環節（jiē）具備之後，美國將是第二個徹底實現全（quán）產業鏈國產化的國（guó）家。

（2）美國紐約州立大學布法（fǎ）羅分校（xiào）（UB）

據外媒報道，2020年4月，美國紐約州立大學布法（fǎ）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（qiě）隻有一（yī）張紙那麽薄。該團隊在2018年製造了一個由（yóu）5微米厚（一張紙厚約100微米）的氧化镓製（zhì）成的MOSFET，擊（jī）穿電壓為1,850 V。該產品（pǐn）將用於製造更小（xiǎo）、更高效的電子係統，應用在電動汽車、機車和飛機上。

3、德國

關於德國（guó）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（kāi）始（shǐ）研發和生長GaO晶體，使用提拉法，采（cǎi）用銥金坩堝，包（bāo）括活動的銥金後加熱器，生長出的（de）晶體直徑為2英寸（cùn），長度為40～65mm，晶體的結晶特性較好。此外，其（qí）也為美國AFRL供（gòng）應了GaO外延片。

4、中國

我國其實開展氧化（huà）镓研究已經十餘年，但是直（zhí）到近年來46所的技術突破才實現了（le）距（jù）離產業化“一（yī）步之遙”，從公開資料能了解到目前從事GaO材料和器件研究（jiū）的單位和企業，主要是中電科46所、西安電子科技大學、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所，科（kē）技成果轉化的公司有（yǒu）北京（jīng）镓族科技、杭州富加镓業。國（guó）內團隊未見關於GaO MOS的報道。

（1）中電科46所

據觀（guān）察（chá）者網在2019年2月的報（bào）道，中國電科46所經過多年（nián）氧化镓晶體生長技術（shù）探索，通過改進（jìn）熱場結構、優化生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生（shēng）長過程（chéng）中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功在2016年製備出國內第（dì）一片高質量的2英（yīng）寸氧化（huà）镓單晶，在2018年底（dǐ）製備出國（guó）內第一片高質量的4英寸氧化镓單晶。報道指出，中國電科（kē）46所製備的氧化镓單晶的寬度接（jiē）近100mm，總長度（dù）達到250mm，可（kě）加工出（chū）4英寸晶圓、3英寸晶圓和（hé）2英寸晶圓。這也是（shì）目前為（wéi）止國（guó）內唯一能夠達（dá）到該尺寸的記錄保（bǎo）持者。

（2）西電大學/微係統所

據中國科學院上海微係統與信息技術研究所報道，在2019年12月，中國科學院上海微係統與信息技術（shù）研究所（suǒ）研究員歐（ōu）欣課題組和西安電子科（kē）技大學郝躍課題（tí）組教授韓（hán）根全攜手，在氧化镓功率器件領域取得了新進展（zhǎn）。歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬能離子刀”智能剝離與轉移技術（shù），首次將晶圓級β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成（chéng），並製備出高性能器件。報道指（zhǐ）出，該工作在超（chāo）寬禁帶材料與功率器件領域具有裏程碑式的重要意義。首先，異質集成為GaO晶（jīng）圓散熱問題提供了最優解決方案，勢必推動高性能GaO器件研究的發展；其次，該研究將為我國GaO基礎研究和（hé）工程化提供優質的高（gāo）導熱（rè）襯底材料（liào），推動GaO在高功率器件領域的規模化應用。

（3）複旦大學

在（zài）2020年6月（yuè），複旦大學方誌來團隊在p型氧化镓深紫外日盲探（tàn）測器研究中取得（dé）重要進展（zhǎn）。報道表示，方誌來團隊采用固-固相變原位摻（chān）雜技術，同時（shí）實現了高摻雜（zá）濃度、高晶體質量與能（néng）帶工程，從而部分解決了氧化镓的p型摻雜困難問題。

（4）北京镓族科技

資料顯示，北京镓（jiā）族科技（jì）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（huà）镓材料開（kāi）發及（jí）應用產業化的高科技公司（sī），是北京郵電大學的唐為華老師從2011年以來致力（lì）於氧化镓材料及器件形成科研成果的產業化平台。

公司（sī）研發（fā）和生產基於新型超寬禁帶半導體材料氧化（huà）镓的高質量單晶與外延襯底（dǐ）、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（qǐ）已經實（shí）現1000V耐壓的肖特基（jī）二極管（guǎn）模（mó）型製作，並已經實（shí）現5000V耐壓的MOSFET模型製作，開發出氧化镓基日盲紫外探測器分立器件和陣列（liè）成像器件，為深紫外光電器件提供了良好解決方（fāng）案，可支持極弱火焰和極（jí）弱電弧實時（shí）檢測等，並已推（tuī）出係統化模塊。公（gōng）司（sī）已申請40餘項專利，完成了產業中試的前（qián）期技術（shù）、人員、軟硬件等量產（chǎn）化要求的所有準備工作。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（liàng）生產能（néng）力，初步（bù）構建了氧化（huà）單晶襯（chèn）底、氧（yǎng）化镓異質/同（tóng）質外延襯底生產和研發平台。未來將不斷完善晶體生長、晶體加工、外延薄膜性能測試、微納加工、聯合研發等六大（dà）平台搭建。

（5）杭州（zhōu）富加镓業

據官網信息，公司（sī）成立於2019年（nián）12月，注冊資金500萬，是由中國科學院上海光學精密機械研究所與（yǔ）杭州市富陽區政府共建的“硬科技”產業化平台——杭州光機所孵化的科技型企業。

富加镓（jiā）業專注於寬禁帶半導體材料研發（fā），公司核心創始人具有中（zhōng）科院博士、劍橋大學博士等材料領域的深厚背景，團隊成員主要來（lái）自中國科學院、美英（yīng）海歸等業內資（zī）深人才，研發人員（yuán）中碩士（shì）以上比例達到80%；公司（sī）廠房麵積八千餘（yú）平米，擁有多台大尺寸導模法晶體生長爐、多氣氛晶體退（tuì）火爐、高精密拋光機等儀器設備，為公司的發展提供了基礎支撐和持續創新動力硬件保證（zhèng）。

富（fù）加镓業最初（chū）技術來源於中科院上海光機所技術研發團隊，該團（tuán）隊是我國最早從事（shì）氧化镓晶體生長的團隊，從04年開始即（jí）開展研究。富加镓業專業從事（shì）氧化镓單晶材料設（shè）計、模擬仿真、生長及性能（néng）表征等工作，形成了較鮮明的特色和（hé）優勢。我們注重知識產權（quán）保護和氧化镓相關基礎（chǔ）探索研究工作，在全球範圍內對氧化镓晶體材料生長及上下遊應用領域（yù）的專利進（jìn）行布局，申請進入歐盟、美國、日（rì）本、韓國、新加坡等國家。團隊（duì）的氧化镓晶體材料及器件基礎研究成果，多篇科研論文已（yǐ）發表在國際頂級學術（shù）期（qī）刊上，與全球科研工（gōng）作（zuò）者共享最新研究成果，共（gòng）同推動全球第四代（dài）半導體相關行（háng）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（jí）其光學性質。北京郵電大學、電子科技大學、中山大學（xué）也分別獨立（lì）開展了β相GaO薄膜及日盲紫（zǐ）外探測器的研究，已取得（dé）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

印度的Raja Ramanna先進技術（shù）中（zhōng）心采用類似EFG的方法，生（shēng）長出直徑5～8mm、長度40～50mm的低缺陷β相GaO單晶，（400）麵XRC半高寬約為0.028°。

葡萄（táo）牙（yá）聖地亞哥大學采（cǎi）用激光加熱浮區法生長出了離子摻雜（zá）和非摻的低缺（quē）陷（xiàn）β相GaO晶體光纖。

隨著電動（dòng）車和便（biàn）攜式用電的需求成為主流，功率器件（jiàn）的重（chóng）要程度日益提高，而日本已經明顯在第（dì）四代半導體的氧化镓材料方麵處於領先優勢，日本半導體界也將GaO作為日本半導體產業（yè）“複興的鑰匙”，已在國內掀（xiān）起研發和應用的熱潮。與此同（tóng）時，美國、中國、歐洲等也正在（zài）試圖追趕，可以想到的是，美日雙方從材（cái）料供應到技術合作必然要比中日合作更加深入，這場功率器件競賽已然拉開帷幕（mù），而中國將可能獨自前行。

功率（lǜ）半導體的行業特征適合氧化镓器件（jiàn）的爆發式增長

功率半導體用於所有電力電子領域，市場成熟穩定且（qiě）增速緩慢。但是，業界對於更大功（gōng）率（充放電更快）、更（gèng）高效節能（減少發熱更安全（quán）環保）、更小體積和重量（更便攜易安裝維護）以及更低成本（更廣闊的（de）應用和市場）的追求是永（yǒng）無止境的。因此近年（nián）來（lái），新能源汽車（chē）、可再生能源發電、變頻家電、快充等新應用領域迎來了（le）新的巨大增（zēng）長點。

①行業特征一：不需要追趕摩爾定（dìng）律，一般使用0.18~0.5um製程即可，倚重材料質（zhì）量，對材料和器件的生產工藝要求高，因整體趨向集成（chéng）化、模塊化（huà），需要（yào）開發新的封裝設計。

l 設計環節（jiē）：功率（lǜ）半（bàn）導體電路結構簡單，不需要像數字邏（luó）輯芯片在架構（gòu）、IP、指（zhǐ）令集、設計流程、軟件工具等投入（rù）大量資（zī）本。

l 製造環節（jiē）：因不需要追趕摩（mó）爾定律（lǜ），產線對先進設備依賴（lài）度不（bú）高，整體資本支出（chū）較小。

l 封裝環節：可分（fèn）為分立器件封裝和模（mó）塊（kuài）封（fēng）裝，由於功率器件對可（kě）靠性要求（qiú）非常高，需采用特（tè）殊設計和材料，後道加工價值量占比達35%以上，遠（yuǎn）高於普通數字邏輯芯（xīn）片的10%。目前，根據在研項目和產（chǎn）品布局看，國內企業開始向價值量更高的中高端（duān）產（chǎn）品轉型。

②行業特征（zhēng）二：功率半導體行業（yè）一（yī）般采用IDM模式，更適（shì）合企業做大做強。上遊的襯底、外延企業雖可以成為單（dān）獨環節，但如特征一所述，工藝占比很高，芯片設計和（hé）製造環節是要集成在（zài）一起（qǐ）的，否則將喪失技（jì）術進步的能力，並且產能受（shòu）到限製，因此委外代工僅可作為低端產品的產能補充。

③行業特征（zhēng）三：新能源車等新興應用不斷推動新半導體材料（liào）興起。

氧化镓單晶材料在功率電（diàn）子器件方麵具有極大的應用（yòng）潛力。典型的應用領域包括：電動汽車（chē）、光伏逆變器、高（gāo）鐵輸電、軍用（yòng）電磁軌道炮、電磁彈射、全電艦艇推（tuī）進等；除此之外，氧化镓自身即有不錯的射頻特（tè）性，當前由於低成本及與GaN的低（dī）失配的特（tè）性，還可用於（yú）GaN材料的外延襯底，GaN及HEMT具有功率密度高、體積小、可工（gōng）作在40GHz等優點（diǎn），是5G基站攻略（luè）放大器（qì）的首選材（cái）料。因（yīn）此，5G行（háng）業的迅速發展（zhǎn）也將帶動（dòng）氧化镓（jiā）單晶襯底產業的迅速發展。

新（xīn）能源（yuán）、5G等新興（xìng）應用加速（sù）第三代和第四代半導體材料產業化需求，我國市場空（kōng）間巨大且有望在該領域快速縮短和海外企（qǐ）業的（de）差距。

①天時：第四代材料在高功率、高頻率（lǜ）應用場景具有配合第三代半導體（tǐ）取代矽材的潛力，行業整體都處於產業化起步階段。

②地利：受下遊新能源車、5G、快（kuài）充等新興市場需（xū）求（qiú）以及潛在的矽材替（tì）換市場驅動，目前（qián）深入研（yán）究和產業（yè）化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術儲備較弱，真正有技術的公司麵對的競爭壓力小（xiǎo）。

③人和：第四代半（bàn）導體核心難點在材料製備，材料端的突破將獲得極（jí）大的市場價值，可獲（huò）得國家在政策和資金方麵的大力支持。

我國發（fā）展氧化镓的機遇與挑戰

從Yole的報道中（zhōng）可（kě）以看出，綠色線（xiàn）代表的GaO尺寸以前所未有（yǒu）的斜率快速增長，這得益於其材料可以通過上文提到的（de）液（yè）相法進行生長，且（qiě）已經接近目前SiC和GaN的最（zuì）大商用化尺寸。

矽基（jī）材料經過了50年的發展（zhǎn），達到了目前的（de）12寸。

SiC材料的（de）最大尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的美國（guó）Cree公（gōng）司所推出的8英寸襯底（dǐ）樣品，其尚未導入大規模商業化，產業界剛剛準備（bèi）規模化生（shēng）產基於6英寸襯底的功率器件。

由於國內LED產業的高度發展，業界基於8英寸矽（guī）基GaN的功率（lǜ）電子器件發展相對較（jiào）快。

如此看來，GaO很有可能在尺寸方（fāng）麵，即（jí）大規模製造的可能性和成本方麵（miàn）對上述造成後來者居上的威脅。