什么是第四代半導(dǎo)體？

第一、二、三、四代半導(dǎo)體材料各有利弊，在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，但不可否認的是，中國在第一、二代半導(dǎo)體的發(fā)展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業(yè)占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面，中國與世界領(lǐng)先水平之間都存在著明顯的差距。

國內(nèi)可能并且走在世界前沿的半導(dǎo)體材料或者能讓中國在半導(dǎo)體行業(yè)實現(xiàn)彎道超車并以此為契機助力中國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的機會應(yīng)該是對新型材料的研究與開拓，比如應(yīng)用場景廣泛、波及行業(yè)眾多、產(chǎn)業(yè)占位靠前的在功率、射頻等方面可以大放異彩的氧化鎵材料；其具備制備成本較低、相對環(huán)保、性價比更高、材料屬性優(yōu)勢明顯、工藝制造精妙但成本相對較低優(yōu)勢等特點。

在第三代半導(dǎo)體發(fā)展得如火如荼之際，氧化鎵、氮化鋁、金剛石等第四代半導(dǎo)體材料也開始受到關(guān)注。其中，氧化鎵( Ga2O3 )是被國際普遍關(guān)注并認可已開啟產(chǎn)業(yè)化的第四代半導(dǎo)體材料。

氧化鎵( Ga2O3 ) 在耐壓、電流、功率、損耗等維度都有其優(yōu)勢，此前被用于光電領(lǐng)域的應(yīng)用，直到2012年開始，業(yè)內(nèi)對它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究單位都在朝著該方向發(fā)展。

日本在氧化鎵研究上是比較超前的。2012年日本報道了第一顆氧化鎵功率器件，2015年推出了高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底、2016年推出了同質(zhì)外延片，此后，基于氧化鎵材料的器件研究成果開始爆發(fā)式出現(xiàn)。

我國氧化鎵的研究則更集中于科研領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化進程剛剛起步，但是進展飛速，今年我國科技部將氧化鎵列入“十四五重點研發(fā)計劃”，讓第四代半導(dǎo)體獲得更廣泛關(guān)注。

一個材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要材料、器件、模組、應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)形成完整循環(huán)。目前，第三代半導(dǎo)體材料已發(fā)展出完整的產(chǎn)業(yè)鏈，且向著成本不斷降低的方向發(fā)展；而氧化鎵則仍處于一個研究繼續(xù)深入，產(chǎn)業(yè)化初步開始的階段。

氧化鎵想要獲得產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要具備至少3個要素：

一是材料成本降低，足以用于產(chǎn)業(yè)；

二是襯底、外延、器件產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展完善；

三是，出現(xiàn)示范性應(yīng)用。

此前，氧化鎵襯底主要采用導(dǎo)模法（EFG法）進行生產(chǎn)，由于EFG法需要在1800℃左右的高溫、含氧環(huán)境下進行晶體生長，對生長環(huán)境要求很高，需要耐高溫、耐氧，還不能污染晶體等特性的材料做坩堝，綜合考慮性能和成本只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。但一方面銥價格昂貴，價格是黃金的三倍，6英寸設(shè)備需要幾公斤的銥，相當于一大塊黃金，僅坩堝造價就超過600萬，從大規(guī)模生產(chǎn)角度很難擴展設(shè)備數(shù)量，另一方面，銥只能依賴進口，給供應(yīng)鏈帶來很大風(fēng)險。

值得關(guān)注的是，我國的深圳進化半導(dǎo)體，日本東北大學(xué)聯(lián)合C&A公司都報道了無銥工藝，從關(guān)鍵材料端角度讓低成本氧化鎵成為可能，也推動整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進程。

什么是第四代半導(dǎo)體

第四代半導(dǎo)體我們其實叫超禁帶半導(dǎo)體，它分兩個方向，一是超窄禁帶，禁帶寬度（指被束縛的價電子產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量）在零點幾電子伏特（eV），比超窄禁帶更窄的材料便稱為導(dǎo)體；二是超寬禁帶，如禁帶寬度在4.9eV的氧化鎵，以及更高的金剛石、氮化鋁等，當禁帶寬度超過6.2eV，基本上就是絕緣體。目前來看，超禁帶半導(dǎo)體將會是最后一代半導(dǎo)體，尤其是金剛石很早就被稱為“終極半導(dǎo)體”。

氧化鎵材料可以被用于什么產(chǎn)品？

半導(dǎo)體材料的禁帶越寬，需要的激活能越大，才能將電子從一個束縛的電子變成自由電子，它對波長比較長的光吸收量很少，氧化鎵響應(yīng)波長250~300nm，因此可以用于探測日盲紫外光，目前這個方向受到科研人員的廣泛肯定。不過我們團隊還是更熟悉功率應(yīng)用，光電應(yīng)用就期待其他團隊來努力了。

日盲紫外波段的光線無法透過大氣層，會被大氣層直接吸收。一旦在大氣層中探測到這種光線，那么它要么來源于閃電，要么來源于導(dǎo)彈，要么來源于戰(zhàn)斗機，可以用該材料當作軍用光線探測器。此外，在電站、加油站等場景，故障早期出現(xiàn)電暈放電情況時也會發(fā)出這種紫外的光，如果狀況繼續(xù)惡化的，它就開始發(fā)熱并變成紅外的光，相當于可以用氧化鎵防患于未然，不過能用做這種探測的材料還蠻多的，比如氮化鋁、碳化硅，氧化鎵在這個應(yīng)用可能還需要進一步證明它的不可取代性，不像功率領(lǐng)域這么簡單明了。

業(yè)界對氧化鎵的的開發(fā)更多還是在功率器件上，基本上80%的研究單位都在朝著功率器件的方向發(fā)展。

氧化鎵具備什么材料特性？

市場對于功率更高、損耗更低、成本更低、性能更好的器件的追求是永無止盡的。

氧化鎵制備工藝

高質(zhì)量單晶材料的制備是后期有效應(yīng)應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提，新型材料氧化鎵的制備工藝具有復(fù)雜但成本可控、精妙但工藝成熟等特點，為防止文章過于空洞，特以同為新型材料的碳化硅生產(chǎn)為對比，助讀者能有一個清楚的參照物做對比，不至于理解起來過于空洞，至于成本如何可控、工藝如何，讀者可在以下對比中可窺得一二。

（一）制備工藝的方法對比

（1）碳化硅制備主流方法：PVT

PVT法通過感應(yīng)加熱的方式在密閉生長腔室內(nèi)在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過固—氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學(xué)計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。

以上碳化硅單晶制備的整個固—氣—固反應(yīng)過程都處于一個完整且密閉的生長腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個參數(shù)相互耦合，任意生長條件的波動都會導(dǎo)致整個單晶生長系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長的穩(wěn)定性；此外，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式，從而形成200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低。

因此，在PVT單晶生長系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致目標晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴重質(zhì)量問題。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項缺陷。

（2）氧化鎵制備主流方法：

按β-Ga2O3照晶體生長過程中原料狀態(tài)的不同，可以將晶體生長方法分為：溶液法、熔體法、氣相法、固相法等。

熔體法是研究最早也是應(yīng)用最為廣泛的晶體生長方法，也是目前生長β-Ga2O3體塊單晶常用的方法。

通過熔體法可以生長高質(zhì)量、低成本的β-Ga2O3體塊單晶，其中最為常用的生長方法主要有兩種：提拉法和導(dǎo)模法。文章以導(dǎo)模法為例介紹，導(dǎo)模法（Edge-defined film-fed growth method）是一種重要的晶體生長方法，具有近尺寸生長、異形晶體生長、生長速度快、生長成本低等優(yōu)點，是傳統(tǒng)提拉法（Czochralski method）的一種延伸和補充，實際操作中可以將傳統(tǒng)提拉法晶體生長爐改造后使用，常用于閃爍晶體材料、半導(dǎo)體晶體材料的生長。

導(dǎo)模法需要在坩堝中放置模具，晶體生長界面位于模具上表面。由于射頻線圈高頻電流的作用，使銥坩堝產(chǎn)生渦流而產(chǎn)生熱量。

高溫下，坩堝中的Ga2O3原料變成熔體，由于表面張力和浸潤作用，熔體沿模具中的毛細管上升到模具上表面。

預(yù)先在籽晶桿上安放一枚籽晶，讓籽晶下降至接觸模具上的熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉籽晶桿，使熔體在籽晶的誘導(dǎo)下結(jié)晶于籽晶上，最終生長出特定形狀的大塊單晶體。

（二）具體步驟與流程圖

（1）碳化硅制備流程

第一步原料生成，將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在2,000℃以上的高溫條件下，于反應(yīng)腔室內(nèi)通過特定反應(yīng)工藝，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學(xué)計量比反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。

再經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料。

第二晶體生長，在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學(xué)計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結(jié)晶位置； 第三晶錠加工將碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進行定向，之后通過精密機械加工的方式磨平、滾圓，加工成標準直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒。對所有成型晶棒進行尺寸、角度等指標檢測。 第四晶棒切割在考慮后續(xù)加工余量的前提下，使用金剛石細線將碳化硅晶棒切割成滿足客戶需求的不同厚度的切割，并使用全自動測試設(shè)備進行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）、厚度變化（TTV）等面型檢測。 第五切割片研磨通過自有工藝配方的研磨液將切割片減薄到相應(yīng)的厚度，并且消除表面的線痕及損傷。使用全自動測試設(shè)備及非接觸電阻率測試儀對全部切割片進行面型及電學(xué)性能檢測。 第六研磨片拋光通過配比好的拋光液對研磨片進行機械拋光和化學(xué)拋光，用來消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應(yīng)力等，使研磨片表面達到納米級平整度。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設(shè)備，檢測碳化硅拋光片的各項參數(shù)指標，據(jù)此判定拋光片的質(zhì)量等級。 第七拋光片清洗在百級超凈間內(nèi)，通過特定配比的化學(xué)試劑及去離子水對清洗機內(nèi)的拋光片進行清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒、金屬離子、有機沾污物等，甩干封裝在潔凈片盒內(nèi)，形成可供客戶開盒即用的碳化硅襯底。

圖三、碳化硅制備流程圖 注：圖片來源于巨浪資訊

（2）氧化鎵制備流程 與碳化硅半導(dǎo)體材料制備步驟類似，Ga2O3晶體襯底片加工包括退火、定向、切割、貼片、減薄、研磨、拋光和清洗，工藝流程如下圖所示：

圖四、氧化鉀制備工藝步驟 注：圖片來源北京銘鎵半導(dǎo)體官網(wǎng)

（三）制備難易對比

方法并無絕對的好壞優(yōu)劣之分，只是適用情況、工藝繁簡有別，不管何種工藝也無論工藝是否過時，它都承載著研究人員的心血與付出，在一定程度上都是科技發(fā)展的具體載體，接下來的對比只是為了說明氧化鎵的制備成本可控，并無定性的指明孰優(yōu)孰劣的意思。

氧化鎵成本可控可以體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，相較于碳化硅必須實現(xiàn)2,300℃以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體才能進一步生產(chǎn)，氧化鎵的導(dǎo)模法的實現(xiàn)條件就相對要求低了很多，其溫度要求低，而且不用使原料粉末升華成氣體相對條件要求較低；

第二，相較于200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低的情況，氧化鎵的同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶體類型少了很多只有幾種，這對于制備的可控性來說大大降低了難度，這也是為什么氧化鎵的成本低于碳化硅的重要原因；

第三，相較于碳化硅制備的石墨坩堝等一次性損耗品來講，氧化鎵的坩堝雖然購置費用昂貴，但是可以實現(xiàn)循環(huán)利用，其平攤到每一次的制備成本當中是遠低于碳化硅的制備成本的，這又是氧化鎵成本低于碳化硅的一大原因。

（四）相對環(huán)保

眾所周知，在國家加強生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達峰的大環(huán)境下，材料制備無污染是一個比較值得關(guān)注的問題，氧化鎵相對比與第一二代半導(dǎo)體甚至是第三代是更環(huán)保的材料，比如硅基制造中多個環(huán)節(jié)涉及環(huán)境污染，生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生一定量的廢水、廢氣、固廢和噪音；碳化硅襯底材料生產(chǎn)雖屬于重污染行業(yè)，但污染物廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣凈化廢水、倒角清洗廢水、研磨清洗廢水、機械拋光清洗廢水、生活污水等）、一般固廢（主要包括提純雜質(zhì)、加工下腳料、生活垃圾等）、危險廢物（主要包括廢研磨液、廢切削液、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣、有機廢氣等）、噪聲等也存在，氧化鎵在這方面比第一二三代具備更環(huán)保的特點。

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下文關(guān)注氧化鎵國產(chǎn)替代。

我們都曾被一句“充電5分鐘，通話2小時”洗腦，又快又小的充電頭有誰不愛。

自從手機廠商在快充中用到了氮化鎵（GaN），這種第三代半導(dǎo)體材料便幾乎成為快充標配。

在你剛用上氮化鎵制成的充電頭時，科學(xué)家與產(chǎn)業(yè)界便已瞄準更強的第四代半導(dǎo)體材料：氧化鎵（Ga2O3），它能造出更強的充電頭。

當前國內(nèi)超三分之二的半導(dǎo)體產(chǎn)品完全依賴進口，高端半導(dǎo)體材料更是遭遇卡脖子。但氧化鎵不同，這種新興材料在國內(nèi)外均在產(chǎn)業(yè)化前夜，我們有突破和超越的潛力，因此值得重點關(guān)注。

本文關(guān)注氧化鎵國產(chǎn)替代。在本文中，你將了解到：氧化鎵是什么，氧化鎵從制備到器件，氧化鎵市場情況。

01 出生即巔峰

第四代半導(dǎo)體材料有不少“潛力股”，但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學(xué)問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）之后最具市場潛力的材料，很有可能在未來10年左右稱霸市場。

氧化鎵有5種同分異構(gòu)體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定，當加熱至1000℃或水熱條件（即濕法）加熱至300℃以上時，其他所有亞穩(wěn)相的異構(gòu)體都會被轉(zhuǎn)換為β相異構(gòu)體。[1]

β相氧化鎵材料是目前半導(dǎo)體界研究最多，也是離應(yīng)用最近的材料，目前產(chǎn)業(yè)化均以β相氧化鎵為主，下文討論內(nèi)容也均指代β相氧化鎵。

β相氧化鎵的熔點為1820 ℃，其粉末呈白色三角形結(jié)晶顆粒，密度為5.95g/cm3，不溶于水[2]。其單晶具有一定的電導(dǎo)率，不易被化學(xué)腐蝕，且機械強度高，高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其在紫外和藍光區(qū)域透明，這是傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電材料所不具備的優(yōu)點。[3]

氧化鎵不同同分異構(gòu)體具體參數(shù)，制表丨果殼硬科技

氧化鎵各同分異構(gòu)體相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，圖源丨《物理學(xué)報》[4]

氧化鎵天資卓越，材料屬性天生麗質(zhì)，出生就注定能夠成為市場熱捧。它擁有著超寬帶隙（4.2~4.9eV）、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、較短的吸收截止邊及超強的透明導(dǎo)電性等優(yōu)異的物理性能。氧化鎵器件的導(dǎo)通特性幾乎是于碳化硅（SiC）的10倍，理論擊穿場強是碳化硅的3倍多。

不止如此，它的化學(xué)和熱穩(wěn)定性也較為良好，同時能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質(zhì)量、可摻雜的塊狀單晶。

第一代~第四代半導(dǎo)體材料特性對比，制表丨果殼硬科技

氧化鎵對比硅、氮化硅和碳化硅，圖源丨《新材料產(chǎn)業(yè)》[5]

但材料領(lǐng)域從來沒有十全十美，也從來不存在單兵作戰(zhàn)。一方面，氧化鎵的遷移率和導(dǎo)熱率低，不及碳化硅和氮化鎵，可能受到自熱效應(yīng)影響，從而導(dǎo)致設(shè)備性能下降；另一方面，實現(xiàn)p型摻雜難度較大，難以制造p型半導(dǎo)體，成為實現(xiàn)高性能器件的主要障礙。[6]

好在研究人員發(fā)現(xiàn)，當溫度由室溫升高至250℃時，氧化鎵制造的器件性能不會出現(xiàn)明顯的衰退，實際應(yīng)用中很少會超過250℃，并且氧化鎵器件可以非常小、非常薄，所以即使熱導(dǎo)率低，也可以非常有效地進行熱管理[7]。同時，業(yè)界已設(shè)計多樣的器件構(gòu)型，有效規(guī)避了p型參雜困難的問題，實現(xiàn)了良好的器件性能。

雖然這兩個缺陷可以避免，但實際應(yīng)用中仍需進一步探討。

使用氧化鎵制作的半導(dǎo)體器件可以實現(xiàn)更耐高壓、更小體積、更低損耗，因此它在光電探測、功率器件、射頻器件、氣敏傳感、光催化、信息存儲和太陽能利用等都有潛在應(yīng)用價值。目前為止，日盲紫外光電探測器件和功率器件（SBD、MOSFET）是氧化鎵商業(yè)化趨勢明朗的兩個領(lǐng)域。

02 制備是問題

既然優(yōu)勢多多，那為什么這一賽道還沒爆發(fā)？這是因為氧化鎵的路一直卡在大規(guī)模制備這一步，隨著研究深入和器件應(yīng)用明朗，產(chǎn)業(yè)化的路逐漸鋪平。

氧化鎵的研究主要以應(yīng)用為導(dǎo)向發(fā)展，而從氧化鎵材料轉(zhuǎn)換為芯片，與碳化硅的“襯底→外延→器件”的產(chǎn)業(yè)體系類似。

氧化鎵材料研究歷史，制表丨果殼硬科技

襯底指的是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓，在經(jīng)過切、磨、拋等仔細加工后便是芯片制造的基礎(chǔ)材料拋光片；外延指的是在拋光后的單晶襯底上生長一層新單晶薄膜的過程，外延片相當于是半導(dǎo)體器件的功能性部分；器件就是能實現(xiàn)具體功能的某種芯片，晶圓先會經(jīng)歷光刻、刻蝕、離子注入、CMP、金屬化、測試等工藝，再經(jīng)歷切割、封裝等復(fù)雜工藝。

氧化鎵在這一過程中，既可以充當襯底材料，也可以充當外延材料。

不同種類晶圓優(yōu)勢和應(yīng)用，制表丨果殼硬科技

資料來源丨公開資料

晶圓按直徑分為4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等規(guī)格，芯片是從加工后的晶圓上切割下來的，但晶圓與芯片卻是一圓一方，因此只有晶圓越大才能切出更多完整的芯片。晶圓尺寸與制程也息息相關(guān)，目前14nm或更先進制程的芯片基本都采用12英寸晶圓制造，因為晶圓越大，襯底成本就越低。[8]

因此只有當氧化鎵被制成一定尺寸的晶圓，才能真正投入產(chǎn)業(yè)化，并且晶圓尺寸還要越做越大。

單晶生長

大尺寸高質(zhì)量的β相氧化鎵晶圓生產(chǎn)非常困難，這是因為其單晶熔點達1820℃，高溫生長過程中極易分解揮發(fā)，容易產(chǎn)生大量的氧空位，進而造成孿晶、鑲嵌結(jié)構(gòu)、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。[9]

氧化鎵單晶生長研究最早可以追溯到20世紀60年代，制備方法主要包括焰熔法、提拉法、導(dǎo)模法、光浮區(qū)法、布里奇曼法。

氧化鎵單晶生長技術(shù)情況，制表丨果殼硬科技

目前國際上走得最遠的是日本NCT公司，是全球氧化鎵襯底的供應(yīng)主力，該公司采用導(dǎo)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(chǎn)業(yè)所需的大尺寸襯底。

但導(dǎo)模法制造的氧化鎵患有嚴重的“貴金屬依賴癥”，在制造過程中需要使用基于貴金屬銥（Ir）的坩堝。銥元素全球儲量稀少，每克銥的價格高達上千元，約是黃金價格的3倍，長晶設(shè)備中僅一個坩堝價格就超500萬元 。

成本對國外產(chǎn)業(yè)來說已是核心問題，普遍會采取增大鑄錠尺寸、提高加工率、延長坩堝壽命來降低銥坩堝成本，更徹底的解決方案就是研究其他轉(zhuǎn)換路線。

這對國內(nèi)產(chǎn)業(yè)來說更是棘手問題。雖然中國鎵元素儲量全球第三位，高純度氧化鎵原料儲備豐富，生長晶體能耗降低80%，成品率可達50%及以上[10]，但我國銥礦藏并不豐富，依賴進口，有斷供風(fēng)險。更為雪上加霜的是，坩堝易損壞且有使用次數(shù)限制。貴就造不起，高價造出來又壞不起，成了死循環(huán)。[11]

不同氧化鐐晶體制備方法的優(yōu)缺點對比，圖源丨《機械工程學(xué)報》[9]

國內(nèi)開展氧化鎵單晶生長研究只有十余年，成熟度和穩(wěn)定性不及國外。中電科46所、西安電子科技大學(xué)、上海光機所、上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、浙江大學(xué)等研究機構(gòu)已開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的生長技術(shù)，打技術(shù)壟斷，不過最高只能加工到4英寸襯底。

為了讓這項技術(shù)逐漸產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)主要策略是減少貴金屬銥的使用，并推動無銥工藝的摸索研究，這種趨勢在產(chǎn)業(yè)化腳步加快之際越來越明顯：初創(chuàng)公司進化半導(dǎo)體宣稱，已開發(fā)出獨創(chuàng)的“無銥法”特色工藝，解決成本痛點[12]；2022年5月，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心則宣稱，已發(fā)明全新的熔體法技術(shù)路線來研制氧化鎵體塊單晶以及晶圓，減少了貴金屬銥的使用，目前已經(jīng)成功制備直徑2英寸的氧化鎵晶圓。[13]

薄膜外延

外延生長是制備半導(dǎo)體器件的核心工藝之一，與器件性能息息相關(guān)。當襯底材料和外延材料均為氧化鎵時，此時的外延被稱為同質(zhì)外延，反之則稱為異質(zhì)外延。

受限于氧化鎵單晶襯底尺寸、質(zhì)量、電學(xué)性能等因素，目前氧化鎵外延生長研究集中在異質(zhì)外延，為數(shù)不多的同質(zhì)外延也是基于最為穩(wěn)定和最強解理面的（100）面襯底。[14]

外延的分類，制圖丨果殼硬科技

目前用于氧化鎵的外延薄膜沉積技術(shù)包括分子束外延技術(shù)（MBE）、分子有機氣相沉積（MOCVD）、噴霧化學(xué)氣相沉積（mist-CVD)、鹵化物氣相外延沉積技術(shù)（HVPE）。

氧化鎵外延技術(shù)情況，制表丨果殼硬科技

參考資料丨《新材料產(chǎn)業(yè)》[5]

國際上兩個主流技術(shù)當?shù)溃篘CT公司的EFG結(jié)合HVPE技術(shù)和IKZ研究所的Cz結(jié)合MOVPE技術(shù)。但在競爭過程中，由于EFG比Cz擁有更大的晶體尺寸，HVPE的外延沉積速率約為MOVPE的10倍，因此EFG結(jié)合HVPE技術(shù)路線成為了主流，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

雖然國內(nèi)氧化鎵體單晶制備技術(shù)已取得顯著進步，但國內(nèi)氧化鎵外延技術(shù)較為薄弱。中電科46所是國內(nèi)氧化鎵技術(shù)較為領(lǐng)先的：2019年中電科46所用導(dǎo)模法制備了4英寸氧化鎵晶圓，2021年12月又成功制備出HVPE氧化鎵同質(zhì)外延片，突破了HVPE同質(zhì)外延氧化鎵過程中氣相成核和外延層質(zhì)量控制等難題，填補國內(nèi)空白。[15]

器件應(yīng)用

產(chǎn)出晶圓并不意味著萬事大吉，還涉及許多問題。

由于氧化鎵晶體脆性較大、易解理屬性較強、斷裂韌性較低，傳統(tǒng)的游離磨料研磨加工很容易在表面產(chǎn)生裂紋和凹坑等缺陷，晶圓的超精密加工，包括研磨、拋光等都會牽扯出一系列工藝研究，產(chǎn)業(yè)化過程將帶動整個鏈條。[16]

在器件應(yīng)用上，氧化鎵生長單晶前期主要針對日盲深紫外探測器，2012年氧化鎵同質(zhì)外延片應(yīng)用至功率器件后，才正式開啟了產(chǎn)業(yè)化新紀元。

目前氧化鎵研究集中在肖特基勢壘二極管（SBD）和金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）兩種器件形態(tài)，通過增強器件結(jié)構(gòu)，不斷刷新著擊穿電壓數(shù)值。

器件發(fā)展上，日本入局較早，三菱重工、豐田、日本電裝、田村制造（與NICT合作成立NCT）、日本光波等企業(yè)早已介入氧化鎵的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和布局，發(fā)展態(tài)勢迅猛。美國相對緩慢，Kyma公司2020年推出1英寸氧化鎵晶圓。[17]

國際公司/機構(gòu)氧化鎵產(chǎn)業(yè)化歷史，制表丨果殼硬科技

國內(nèi)氧化鎵器件屬中國電子科技集團公司第十三研究所的器件較為領(lǐng)先，其利用柵下熱氧化技術(shù)實現(xiàn)的增強型氧化鎵MOSFET器件閾值電壓達到4.1V，開關(guān)比達到108；提出的雙層源場板結(jié)構(gòu)可以有效抑制氧化鎵溝道和氮化硅（SiN）鈍化層中的尖峰電場強度，器件擊穿電壓超過3000V。[5]

03 國內(nèi)投融資開始涌動

氧化鎵是未來十年的生意，行業(yè)分析人士表示，預(yù)計到2030年，全球氧化鎵及功率器件市場規(guī)模將達到98.6億元。[18]

在產(chǎn)業(yè)化方面，國內(nèi)剛剛起步，但很多投資基金已經(jīng)開始關(guān)注到氧化鎵的未來，尋求相關(guān)創(chuàng)業(yè)項目和創(chuàng)業(yè)團隊，推動國內(nèi)氧化鎵發(fā)展。北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)、北京銘鎵半導(dǎo)體、深圳進化半導(dǎo)體是目前在投融資市場較為活躍的四家公司——

北京鎵族科技是國內(nèi)入局比較早的一家公司，注冊成立于2017年年底，是國內(nèi)首家、國際第二家專業(yè)從事氧化鎵半導(dǎo)體材料開發(fā)及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的高科技公司，是北京郵電大學(xué)的科研團隊科研成果轉(zhuǎn)化形成公司；[19]

杭州富加鎵業(yè)科技有限公司成立于2019年12月，是由中國科學(xué)院上海光機所與杭州市富陽區(qū)政府共建的硬科技產(chǎn)業(yè)化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業(yè)；[20]

北京銘鎵半導(dǎo)體是可實現(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)級氧化鎵半導(dǎo)體晶片小批量供貨的中國廠家，這家公司已開始布局“氧化鎵”材料產(chǎn)業(yè)全鏈路；[21]

深圳進化半導(dǎo)體則稱預(yù)計在一年內(nèi)實現(xiàn)2英寸β相的單晶襯底的小批量生產(chǎn)和銷售，目前已有潛在客戶表達了聯(lián)合測試意愿。[12]

國內(nèi)氧化鎵融資主要情況，制表丨果殼硬科技

據(jù)《中國電子報》預(yù)測，輻射探測傳感器芯片和功率校正、逆變、高功率和超大功率芯片是氧化鎵兩個主要方向，尤其是在超寬禁帶系統(tǒng)可用功率和電壓范圍方面會發(fā)揮重要作用，包括電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器、電動汽車和光伏太陽能系統(tǒng)等有利應(yīng)用場景。[22]

進化半導(dǎo)體公司CEO許照原在36氪訪談中表示，碳化硅用了40年時間發(fā)展，氧化鎵則僅用了10年，踩著碳化硅腳印前進的氧化鎵很有可能有類似的發(fā)展行徑：先在市場門檻較低的快充和工業(yè)電源領(lǐng)域落地，后在汽車領(lǐng)域爆發(fā)。[23]

氧化鎵在十年內(nèi)已取得重大進展，眼看離產(chǎn)業(yè)只差一步之遙，但針對材料制備和相關(guān)性質(zhì)研究仍然不夠系統(tǒng)和深入，若想統(tǒng)治未來，掌握現(xiàn)在這十年是關(guān)鍵。

審核編輯 ：李倩