第四代半导体的新希望，氧化镓是否能引领市场革新？

氧化镓以及其他主要半导体的材料性质

成本优势：氧化镓是唯一可采用常压熔体法制备的超宽禁带半导体材料，晶体生长速率可达碳化硅的 100 倍，未来成本仅为碳化硅的1/4。正是氧化镓晶体在生产制造上所具备的成本优势，非常适合中国国内厂商快速提高产能，实现产业化。

国家战略：金刚石和氧化镓基板（衬底）半导体材料是美国出口管制材料，2022年我国科技部将氧化家材料列入“十四五重点研发计划”大尺寸氧化家半导体材料与高性能器件研究(共性关键技术)。

2022年8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）在联邦公报上发布一项临时最终规定，对4项“新兴和基础技术”实施最新出口管制，包括GAA技术，EDA软件，PGC技术以及氧化镓、金刚石这两类超宽禁带半导体材料，且该两项出口管制于8月15日已生效。

氧化镓的功率器件将在消费电子、家电以及高可靠、高性能的工业电源等领域出现。其中新能源车市场为氧化镓提供了巨大的应用场景；充电桩对成本非常敏感，这就为氧化镓提供了机会；射频器件市场，可参考碳化硅外延氮化镓器件市场；电力电子领域的另一项重要应用是 48V 电池；工业领域，它有几大机会和优势，包括单极替换双极，更高的能效，易于大规模生产，及可靠性的需求；氧化镓衬底材料可用来制备大功率 GaN 基 LED，也可以利用同质外延制备新型氧化镓基功率电子器件；氧化镓晶体化学性质稳定，不易被腐蚀，机械强度高，高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和蓝光区域透明，这是传统的透明导电材料所不具备的，因此 β－Ga2O3 单晶可以成为新一代透明导电材料，在太阳能电池、平板显示技术上得到应用；日盲紫外光探测器及气体传感器。由于氧化镓高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和蓝光区域透明，因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。

氧化镓功率器件在军用领域主要应用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等，可大幅降低武器装备系统损耗，减小热冷系统体积和重量，满足军事应用部件对小型化、轻量化、快速化与抗辐照耐高温的要求。

氧化镓晶体的主要生长方法

从制造工艺来说，氧化镓的生长分为衬底材料的生长和薄膜的生长；氧化镓单晶衬底材料的生长方法有升华法，提拉法和 HVPE 等；氧化镓单晶薄膜的生长技术有金属有机气相沉积法和分子束外延法，其中 MOCVD 法质量较高，可实现多片快速生长，适用于工业化生产，生长采用的金属有机源为三甲基镓，氧源为高纯氧气，生长温度为 550-700 摄氏度。

氧化镓单晶的方法主要有6种，包括火焰法，光学浮区法、竖直梯度凝固法、导模法和柴可拉斯基法。业内使用最广泛也是最成熟的是导模法，是目前最有潜力的β-Ga203单晶生长方法，并且也是目前唯一实现β-Ga203单晶商业化的晶体生长方法。梯度凝固法（提拉法和下降法）也在不断的研发和改进，成为无铱技术的主要路线。

导模法晶体生长界面位于模具与晶体的交界处，铱金模具固定于铱金坩埚中，晶体生长界面不随熔体的变化而变化。除此之外，相较于提拉法，导模法晶体等径生长过程中，模具上方液膜全部被晶体覆盖，模具上方散热环境一致，生长界面更为稳定，适合生长高电子浓度 β-Ga203晶体。德国、美国等国家主要采用提拉法生长 β-Ga203 晶体，日本、中国等国家多采用导模法生长 β-Ga203晶体。

产业链现状与难点

氧化镓产业链自上而下分为：氧化镓晶体、晶体加工、外延、器件环节。下图为氧化镓产业链价值比例分布情况如图所示。

目前针对氧化镓展开研究的国内各大企业、高校和科研院所都对其性能寄予厚望，但距离大规模商业化应用尚需解决以下几个关键技术点：

散热问题：在目前已知的所有可用于射频放大或功率切换的半导体中，氧化镓的导热性最差。其热导率只有金刚石的 1／60，碳化硅（高性能射频氮化镓的基底）的 1／10，约为硅的 1／5。低热导率意味着晶体管中产生的热量可能会停留，有可能极大地限制器件的寿命。东京 NICT 实验室的研究人员通过将 p 型多晶 SiC 粘合到薄到约 10µm 的 Ga2O3 硅片的背面，大大提高了器件的热阻。氧化镓器件问题。氧化镓器件目前仅有 N 型材料，而一般大规模应用的半导体材料需要 P 型和 N 型共同存在，形成PN 结从而参照 Si 的器件结构和工艺直接制造 MOS、IGBT等多种器件，才能有广泛的产业化应用。

成本问题：氧化镓器件的损耗更低，但氧化镓衬底主要采用导模法进行生产，导模法需要在 1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长，对生长环境要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。而铱的价格极其昂贵，接近黄金的三倍，仅坩埚造价就超过 600 万，从大规模生产角度很难扩展设备数量，另一方面，铱只能依赖进口，给供应链带来很大风险。

大尺寸单晶制作问题：氧化镓的禁带宽度比氮化镓、碳化硅等更宽，功率可以做得更高，也更加省电。氧化镓的制备条件比较苛刻，目前外延材料以 2~3 英寸的小尺寸为主，量产和应用还需要一段时间进行技术突破。目前仅有日本企业研发出 6 英寸单晶，但是还未实现批量供货。

大尺寸氧化镓衬底的产业化与高质量的外延技术，是当前氧化镓产业化最大的障碍。器件领域的技术完善和商业化推进，更多依赖衬底的降本和外延技术的进步。下表为各环节小结：

行业代表性公司与研究机构

纵观氧化镓发展历史，日本遥遥领先全球并引领其商业化。早在 2008 年，京都大学的藤田教授就发布了氧化镓深紫外线检测和 SchottkyBarrier Junction、蓝宝石（Sapphire）晶圆上的外延生长（Epitaxial Growth）等研发成果。2012 年，日本率先获得 2 英寸氧化镓材料，并于 2014 年实现了批量产业化，随后又实现了 4 英寸氧化镓材料的突破及产业化；2015 年，推出了高质量氧化镓单晶衬底；2016 年又推出了同质外延片，此后基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现，各国开始争相布局。

在国际上，有三家公司作为氧化镓衬底、晶圆和器件的开发商和制造商脱颖而出，分别是美国的 Kyma Technologies和日本的 FLOSFIA 和 Novel Crystal Technology。2021 年，Novel CrystalTechnology 全球首次量产了 100mm 4 英寸的“氧化镓”晶圆。2022 年，Novel CrystalTechnology 与大阳日酸株式会社、东京农业技术大学合作，将备受关注的氧化镓（β－Ga2O3）用 HVPE 法成功地在 6 英寸晶圆上沉积。FLOSFIA则是在 2022 年，与三菱重工、丰田汽车子公司电装和大规模生产使用氧化镓（硅的替代品）作为半导体材料的功率半导体。

国内方面也有不少企业开始布局氧化镓领域。

北京镓族科技，成立于 2017 年，专业从事超宽禁带（第四代）半导体氧化镓材料开发及器件芯片应用产业化的国家高新技术产业公司，涵盖完整的产业中试产线，具备研发和小批量生产能力，初步构建了氧化单晶衬底、氧化镓异质／同质外延衬底生产和研发平台。

杭州富加镓业，成立于 2019 年，是由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，专注于宽禁带半导体材料研发，最初技术来源于中科院上海光机所技术研发团队，主要从事氧化镓单晶材料设计、模拟仿真、生长及性能表征等工作。其主要技术来源为中国科学院上海光机所，使用导模法为主、衬底尺寸2英寸，历史未有融资，定位为产、学、研平台。

北京铭镓半导体，成立于 2020年，是国内专业从事氧化镓材料及其功率器件产业化的高新企业，专注于新型超宽禁带半导体材料氧化镓的高质量单晶与外延衬底、高灵敏度日盲紫外探测器件和高频大功率器件等产业化高新技术的研发。目前，铭镓半导体已实现量产 2英寸氧化镓衬底材料，突破 4 英寸技术，是目前唯一可实现国产工业级“氧化镓”半导体晶片小批量供货中国厂家，公司已完成多轮融资，由洪泰基金、华控基金、英诺天使基金、华控基金、允泰基金、分享投资等国内外知名机构投资。

深圳进化半导体，成立于 2021 年，是一家专业从事第四代半导体氧化镓（Ga2O3）晶片研发、生产和销售的半导体企业，是少有的拥有氧化镓的单晶炉设计、热场设计、生长工艺、晶体加工等全系列自主知识产权技术的氧化镓单晶衬底生产商之一，公司创新性研发出的无铱工艺法，大幅度降低单晶生长设备成本。苏州中心——集晶体生长-晶片加工-清洗检测的全套氧化镓晶片生产基地 ； 北京中心——材料仿真研发中心，其已获联想之星投资。

无锡同磊晶体有限公司，成立于2023年6月5日，公司由同济大学国家级创新技术团队(上海人工晶体功能平台/上海蓝宝石工程中心/国家强激光器件创新群体)联袂世界领先的半导体晶体生长和加工装备制造上市公司连城数控、半导体衬底片加工领先企业青岛华芯共同设立，公司利用同济大学在晶体领域的技术成果和持续创新能力，重点实施“氧化嫁晶体制造、装备和工艺技术”、“蓝宝石晶体制造、装备和工艺技术和“等半导体“卡脖子”材料项目的研发与产业化。无锡创新创业种子投资基金将对其进行投资。

国内科研院所在氧化镓领域也相继取得技术突破。南京大学项目团队研发的蓝宝石基氧化镓外延复合晶圆技术成熟度高。目前已开发出 2 英寸高质量蓝宝石基氧化镓外延复合晶圆，具有和单晶材料相接近的晶体质量和缺陷密度，杂质浓度低、且电阻率可调等优点，关键质量指标上已接近甚或达到国际报道最好结果，而且生长周期短，产能高，无切片抛光等工艺要求。西安邮电大学由电子工程学院管理的新型半导体器件与材料重点实验室陈海峰教授团队成功在 8 英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片，这一成果标志着西安邮电大学在超宽禁带半导体研究上取得重要进展。今年 2 月28 日， 中国电科 46 所成功制备出我国首颗 6 英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平 。中国电科 46 所氧化镓团队从大尺寸氧化镓热场设计出发，成功构建了适用于 6 英寸氧化镓单晶生长的热场结构，突破了 6 英寸氧化镓单晶生长技术，可用于 6 英寸氧化镓单晶衬底片的研制，将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。2 月 27 日，中国科学技术大学校微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台，分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管 。相关研究成果日前分别在线发表于《应用物理通信》《IEEE 电子设备通信》上。

小结

氧化镓作为最有潜力的第四代半导体材料，正处于产业化的初期阶段，衬底材料价值含量高、技术难度大，但规模化生产的成本低，是值得切入的优质赛道。

总的来说，在未来10年，氧化镓器件将有可能成为直接与碳化硅竞争的电力电子器件，但作为半导体新材料，氧化镓市场规模的突破取决于成本的快速降低。未来几年是日本开始大规模导入氧化镓的关键阶段，中国能否紧跟业界脚步，需要国内氧化镓产业界携手努力。