目前，以碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)為代表的第三代半導體受到廣泛的關注，人們對SiC在新能源汽車、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予厚望，學術界、投資界和產業界都認可其將發揮傳統矽器件無法實現的作用。

然而，SiC 和（hé） GaN 並不是終點，近年來日本對氧化镓(Ga2O3，後（hòu）簡稱GaO，與GaN對（duì）照)的研（yán）究屢（lǚ）次取得進展，使這種第（dì）四代半導（dǎo）體的代表材料走入了人們的視野，憑借其比（bǐ） SiC 和 GaN 更寬（kuān）的（de）禁帶、耐高（gāo）壓、大（dà）功率等更優的（de）特性，以及極低的製造成本，在功率（lǜ）應用方麵具（jù）有獨特優勢。因此，近幾年關於（yú）氧化镓的研究又熱了（le）起來。

實際上，氧化镓並不是（shì）很新的技術，一直以來都有公司和研究（jiū）機構對其（qí）在功率半導體領域的（de）應用進（jìn）行鑽研。但受限（xiàn）於材料供應（yīng）被日本兩家公司（sī）壟斷，研（yán）究受（shòu）到比較大的阻礙，相關研發工作的風頭（tóu）都被後二（èr）者搶（qiǎng）去。而隨（suí）著應用需求的發展愈加明朗，未（wèi）來（lái）對高功率器（qì）件的性能要（yào）求越來越（yuè）高，人們更深（shēn）切地看到了氧化镓的優勢和前（qián）景，相應的研發工（gōng）作又多了起來（lái），氧化镓已成為美國、日本（běn）、德國等國家的研究熱點和競爭（zhēng）重點。另（lìng）一方麵，我國在這方麵（miàn）的研究仍比較欠缺，在日本已經可以推出批量產品、我國國內市場（chǎng）每年翻（fān）倍的當下，國內（nèi）產業化程度仍處於非常初級的階段。

氧（yǎng）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（hé）物。其結晶（jīng）形態截至目前（qián）已確認有α、β、γ、δ、ε五（wǔ）種，其（qí）中，β相最穩定。

圖：β相氧化镓晶體結（jié）構（網絡）

業界與GaO的結晶（jīng）生長及物性相關（guān）的研究報告大部（bù）分都使用（yòng）β相，國內也普遍使用β相展開研發。β相具備（bèi）名為“β-gallia”的單結晶（jīng）構造。β相的帶（dài）隙很大，達到4.8～4.9eV，這一數值為Si的4倍多，而且也超過了（le）SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般（bān）情況下，帶隙較大，擊穿電場強度也會很大。β相的擊（jī）穿電場強度估計（jì）為8MV/cm左右，達到Si的（de）20多（duō）倍（bèi），相當於SiC及GaN的2倍以上，目前已有（yǒu）研究機構實際做出來6.8MV/cm的器（qì）件（jiàn）。

圖：半導體材料特性（郝（hǎo）躍院士）

β相在展現出色的物性（xìng）參數的同時，也有一些不如SiC及GaN的方麵，這就是遷移率（lǜ）和導熱率低，以及難以製造p型半導體。不過（guò），目前研究表明這些方麵對功率元件的特性不會有太（tài）大的影響。之所以說遷移率低不會有太大問題，是因為功率元件的性能很（hěn）大程度上取決於擊穿電場強（qiáng）度。就β相而言，作為低損失性指標的“巴利加優值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場（chǎng）強度的3次方（fāng）成正比、與遷移率的1次方成正（zhèng）比。巴加利優值較大，是SiC的約10倍、GaN的（de）約（yuē）4倍。

Baliga性能指數是由原在美國General Electric從事多年功率半導體（tǐ）研發工作、現在美國北卡羅萊納州州立大學擔（dān）任名（míng）譽教授（shòu）的Jayant Baliga先（xiān）生提出的，用於Power MOS FET等單極元件(Unipolar Device)的性能評價。有將低頻的理論損耗定量化的（de）“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和將高頻的理論（lùn）損耗定量化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半導體的研發領域，一（yī）般（bān）多實用低頻的BFOM。

圖：功率半導體材料對比（半導體行業觀察譯自PC.watch）

由於β相的（de）巴利（lì）加優值較高，因此（cǐ），在製造相同耐壓的單極功率器（qì）件時，元件的導通電阻比采用 SiC 或 GaN 的低很多，有（yǒu）實驗數據（jù）表明，降低導通電阻有利於減少電源（yuán）電路在導通時的電力損耗。使用β相的功率器件，不僅能減少導通時的電（diàn）力損耗，還可降低開關時的損耗，因為在耐壓 1kV 以上的高耐（nài）壓應用（yòng）方麵，可以使用單極元件。

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

比如，設有利用保護膜來減（jiǎn）輕電場向（xiàng）柵極（jí）集中的單極晶體管(MOSFET)，其耐壓可（kě）達到 3k～4kV。而使用矽的話，在耐壓為 1kV 時就必須使用雙極（jí）元件（jiàn），即便使用耐壓較高的 SiC，在（zài）耐壓為 4kV 時也必須使用雙極元件。雙極（jí）元件（jiàn）以電子和（hé）空（kōng）穴為載（zǎi）流子（zǐ），與隻以電子為載流（liú）子的單極元件相比，在導通和截止的開關操（cāo）作時，溝道（dào）內的載（zǎi）流子的產生和消失會耗費時間，損失容易（yì）變大。

在熱導率（lǜ）方麵，如果該參數低，功率器件很難在高溫（wēn）下工作。不過，實際應用中的工作溫度一般不會超（chāo）過 250℃，因（yīn）此，實際應（yīng）用當（dāng）中不會在這方麵出現大的問（wèn）題（tí）。由於封裝有功率器件的模塊和電源電（diàn）路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹脂等（děng）的耐（nài）熱溫度（dù）最高也不過 250℃，因此功（gōng）率器件的工作溫度也要控製在這一水平之下。

再從（cóng）另一個角度看，易於製造的天然襯底，載（zǎi）流子濃度的控製以及固有的熱穩定性也推（tuī）動了GaO器（qì）件的發展。相關論（lùn）文表示，用Si或Sn對GaO進行N型摻雜時，可以實現良（liáng）好的可控性。

盡管某些UWBG半導體（例如氮化鋁AlN，立方氮化硼（péng）c-BN和（hé）金剛石）在BFOM圖表中擊敗了GaO，但它們的材料製備、器件加工等環節受到了嚴格（gé）的限製。換而言（yán）之，AlN、c-BN和金剛石仍（réng）然缺乏大規模產業（yè）化的技術積累。

圖：關鍵（jiàn）材料（Si,SiC,GaN,GaO）特性對比（bǐ）（IEEE）

相關統計數據顯示，從數據上看，氧化镓的損耗理論上是矽的1/3,000、碳化矽的1/6、氮化镓的1/3，即在SiC比Si已經降低（dī）86%損耗的（de）基礎上，再降低86%的損耗（hào），這讓產業界人士對（duì）其未來有很高的期待。

圖：GaO成（chéng）本構成（Compound Semiconductor）

而成本更是讓其成為一（yī）個吸引產業關注的另一（yī）個重要因素。

SiC晶錠的製作普遍采用PVT法，將固（gù）態（tài）SiC加熱至2500℃升華後再在溫度（dù）稍低的（de）高質量SiC籽晶上重（chóng）新結（jié）晶（jīng），核心難點（diǎn）在於：

1）加熱溫度高達2500℃，且（qiě）SiC生長速度很慢（<1mm>

2）生長（zhǎng）出的晶錠尺寸遠遠短於Si；

3）對籽晶要求很高，需要具備高質量、與所需晶體直徑一致（zhì）等（děng）特點；

4）SiC晶錠硬度較高，加工及拋光難度大；

基於（yú）SiC襯底，普遍采用化學氣相沉積技（jì）術（CVD）獲得高質量外延層，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（bǐ）Si具有更高的缺陷密度，會進一步（bù）幹擾外延層生（shēng）長，外延層本身（shēn）也會產生結晶缺陷，影（yǐng）響後續器件（jiàn）性能。

GaO和藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶狀態。實際上，通過運用與藍寶石晶圓生產技術（shù）相同的導模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已試做出最大直徑為6英（yīng）寸（cùn）（150mm）的晶圓，直（zhí）徑為2英寸（50mm）的晶（jīng）圓已（yǐ）經開始銷售（shòu）作研（yán）究開發方向的用途。這種工（gōng）藝的特點是良（liáng）品率高、成本低廉、生長速度快（kuài）、生長晶（jīng）體尺寸大（dà）。

另一家Flosfia使用的（de）“霧化法”已製作出4英（yīng）寸（100mm）的α相晶圓，成本已接近於矽。而碳化（huà）矽（ SiC ）與氮化镓 （GaN）材料（liào）目前隻能使用“氣相法”進行製備，未來成本也將繼續受到襯底高成本的阻礙而難以大幅（fú）度下降。對於 GaO來說，高質量與大尺（chǐ）寸的天然襯底，相對於目前采用的（de）寬禁帶 SiC 與 GaN 技術，將具備獨特且顯著的成本優勢。

氧化（huà）镓的研發及產業化現狀

因為擁有如此多的優勢，氧化镓被看作一個比（bǐ）氮化镓擁有更廣闊前景的技術（shù）。

據市場調查公司--富士經濟（jì）於2019年6月5日公布（bù）的Wide Gap 功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化镓功率元件的市場規模將會達（dá）到1,542億日元（約（yuē）人民幣92.76億元），這個市場規（guī）模要比（bǐ）氮化镓功率元件的規模（mó）（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！

在SiC或GaN方（fāng）麵，從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→器件→模塊垂直供應的體係。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購買襯底，隨（suí）後自行進（jìn）行（háng）外延生長並製作器件及模塊。

在氧化镓（jiā）方麵，日本在襯底-外延-器件等方麵的研發全球領先。不過（guò）研究氧化（huà）镓功率元件（jiàn）並進行開發的並不是（shì）上（shàng）述範疇的大中型功率半導體企業，而是初創企業。

1、日本

據日本媒體2020年9月報（bào）道，日本經濟產（chǎn）業省（METI）正準備（bèi）為致力（lì）於開發新一代低能耗半導體材料“氧化镓”的私營企業和大學提供財政支持。METI將為2021年留出大約2030萬美元（yuán）的資金，預計未來5年的投資額將超（chāo）過（guò）8560萬（wàn）美元。METI認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為數據（jù）中心、家用電器和汽車供應基於氧化镓的半導體。一旦氧化镓（jiā）取代目前廣泛使用的矽材料，每年將減少（shǎo）1440萬噸二氧化碳的排（pái）放。

資料顯示， 日本功率元件方向的氧化镓研發始於以下三位（wèi）：日本國立信息通信（xìn）技術研（yán）究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的（de）東脅正高先生、京（jīng）都（dōu）大學的藤田靜雄（xióng）教授、田村（Tamura）製作所的倉又朗人先生。

NICT的東脅先生於2010年3月結束在美國大學的赴任並返回日本（běn），以氧化镓功率元件作為新的研發主題並（bìng）進行（háng）構（gòu）想。

京都大學的藤田教授於（yú）2008年發布了氧化镓深紫外線（xiàn）檢測和Schottky Barrier Junction、藍寶（bǎo）石（Sapphire）晶圓（yuán）上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發成果後，又通過（guò）利用獨自研發的“霧化法”薄膜生（shēng）產技術（Mist CVD法）致力於研（yán）發功率元件。

倉又先生在田村（Tamura）製作所負責（zé）研發LED方向的氧化镓單（dān）晶晶圓，並將應用在功率半導體方向。

三人的（de）接觸與新能源·產（chǎn）業技術綜合開發機構（NEDO）於（yú）2011年度提出（chū）的“節（jiē）能革新技術開發事業—挑戰（zhàn）研發（事前研發一體型）、超耐高壓氧化镓功率（lǜ）元件的研發”這一（yī）委托研發事業（yè）有一定關聯，接（jiē）受委托的是NICT、京都大學、田村製作所等（děng）。可以說，由這（zhè）一委托開啟了GaO功率元件的正式研發。

2011年，京都大學投資成（chéng）立（lì）了公（gōng）司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村製作所（suǒ）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（jiā）公司都是（shì）日本氧（yǎng）化镓研發的中堅企業，必須強調的是，這也是世界上僅（jǐn）有的兩家能（néng）夠量產GaO材料及器件的（de）企（qǐ）業，整（zhěng）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，在2017年獲得B輪融資750萬（wàn）歐元（500萬英鎊），2018年三菱重工和電（diàn）裝等大企業已（yǐ）經聯名參與了其C輪融資，累計融（róng）資接近5億（yì）人民幣。

在對（duì）成本要（yào）求嚴格的電動汽車、“廉價（jià）化”的家電（diàn）等數碼機器方（fāng）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（gé），成本問題阻礙著產業界對新半（bàn）導體的材料的導入。 FLOSFIA公司的“噴霧幹燥法”（MistDry）先將氧（yǎng）化（huà）镓溶解於某種（zhǒng）幾十種配方混合而成的溶液裏，然後將溶液（yè）以霧狀噴在藍寶石襯底上，在藍寶石基板（bǎn）上的溶（róng）液幹燥（zào）之前，就（jiù）形成了氧化镓結晶。這樣通過從（cóng）液態直接獲（huò）得GaO襯底，不需要高溫、超潔淨（jìng）的環境，實現了超低成本製造GaO。

圖：MistCVD原理圖（ Electronics Weekly）

這種（zhǒng）溶液常（cháng）溫（wēn）下是液體，蒸（zhēng）發（fā）溫度（dù）不需要達到1,500度，幾百度就足（zú）夠，而且製（zhì）作結晶（jīng）的環（huán）境是（shì）在常溫空氣（qì）中，沒有（yǒu）任何高成本的環節。如果考慮做小（xiǎo）尺寸，有望可以（yǐ）製造出和（hé）矽同（tóng）樣價格、比（bǐ）矽性能更好的半導體。

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

從官（guān）網可（kě）以（yǐ）看（kàn）到，公司（sī）在2015年所首（shǒu）發的肖特基勢壘二極管（SBD）已經送樣，而其（qí）521V耐壓器件的導通電阻僅為0.1mΩ/cm²，855V耐壓的SBD導通（tōng）電阻僅為0.4mΩ/cm²，損耗僅為SiC的1/7，由此（cǐ）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，有專家認為用氧化镓無（wú）法製造P型半導體。但京都（dōu）大學的（de）Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開發出了具有藍寶（bǎo）石結構（gòu）的GaO常（cháng）關型晶體管（MOSFET）。

圖：常關GaO MOSFET的IV曲線(FLosfia官網)

常（cháng）關（guān）型MOSFET 的第一個α相GaO由N +源/漏極層、p型阱層、柵極絕緣體和電極組成。從IV曲線外推的柵極閾值電壓為7.9V。該（gāi）器件由（yóu）新型p型（xíng）剛玉半導體製成（chéng），其起到反型層的作用（yòng）。團隊在2016年發現p型氧化銥Ir 2 O3，終於製作出了常關GaO MOS。

圖：常（cháng）關型GaO MOSFET器件橫截麵示意圖(FLosfia官網)

圖：常關型GaO MOSFET的光學顯微照片(FLosfia官網)

FLOSFIA總部位於日本京都，專門從事霧（wù）化學氣相（xiàng）沉積（CVD）成膜。利用氧化镓的物理特性，FLOSFIA致力於開發低損耗功率器件。該公司成功（gōng）開發了一（yī）種SBD，其具有目前可用的任何類型的最低特定（dìng）導通電阻，實現與降低功率相關的技術，比以前減少了90％。

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

同樣也是在2018年，電裝（zhuāng）與Flosfia決定共同（tóng）開發麵向車載應用（yòng）的下一代Power半導體材料氧化镓（α相GaO）。據電裝表（biǎo）示（shì），通過這（zhè）兩家（jiā）公司對麵向車載的氧化镓（α相GaO）的聯合開發，電動汽（qì）車的主要單元PCU的技術革（gé）新指日可（kě）待。此技術將對電動汽（qì）車的更輕量化發展及節約（yuē）能源降低耗電起到積極作用，從而實現人（rén）、車、環（huán）境和諧共存。

圖：Flosfia GaO評估板（集微網）

據EE Times Japan報道，FLOSFIA在2019年12月11日-13日召開的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器件和評估板，並計劃於2020年進行全球範圍內（nèi）首（shǒu）次GaO肖特基（jī）勢壘二極管的（de）量（liàng）產。FLOSFIA方麵稱（chēng）目前常關型GaO MOSFET的溝道遷（qiān）移率已遠遠（yuǎn）超過了商（shāng）用SiC，讓這項技術和產品有望應用於需（xū）要安全性（xìng）的各種電源（yuán）中，並有望應用在電動汽車和消費級快充中，和SiC擁有同等水（shuǐ）平或以上性能（néng）的GaO MOSFET價格也（yě）會更便宜。Flosfia計（jì）劃2021年實現GaO器件量產，業界正拭目以待（dài）。

（2）Novel Crystal Technology（以下簡稱NCT）

NCT成立於2015年（nián），公司所采用的方案是基於HVPE生長的GaO平麵外延芯片，他們的目標是加快超（chāo）低損耗、低成本β相GaO功率器件的（de）產品開發。

資料顯示，NCT已經成功開發，製造和銷售了直徑最大為4英寸的氧化镓晶片。而在2017年11月，NCT與田村製作所（Tamura Corporation）合作（zuò）成功開（kāi）發了世界上第一個（gè）由（yóu）氧化镓外（wài）延膜（mó）製成的溝槽型MOS功（gōng）率晶（jīng）體管，其功耗僅為傳統矽MOSFET的1/1000。

圖（tú）：氧化镓溝槽MOS型功率晶體管（guǎn）的示意圖(NCT官網)

按（àn）照（zhào）他們的規劃，從2019財年下半（bàn）年開始，NCT將開始提供擊穿電壓為650V的β相GaO溝槽型SBD的（de）10-30A樣品。他們還打算從2021年（nián）開始推進（jìn）大規模生產的準備工作。公司還致力於快速開發100A級別的β相GaO功（gōng）率器件。

此外，日本早稻田大學采用FZ法生長出（chū）β-Ga2O3單晶。在單晶生（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，直徑最大為2.54cm，長度約為50mm。

2、美國

（1）空（kōng）軍研究室（AFRL）

美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領導的團隊探索（suǒ）了GaO材（cái）料的特（tè）性（xìng），結（jié）果顯示，GaO材料的速度和高臨界場強（qiáng）在快（kuài）速功率開關和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（le）美國的GaO研究基礎，獲得了首批樣品。

圖：AFRL製作的2英寸帶有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（gòng）應商Tamura采購了襯底，並聯係（xì）了Tamura投資的NCT購買外延片（piàn），同時也從德國（guó）萊布尼茨晶體生（shēng）長研究所（IKZ）采購外延片（piàn）。

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

AFRL在2016年報（bào）告（gào）了一個有IKZ外延片製作的（de）MOSFET，該器件在0.6um的G-S漂移區內承載電壓高達230V，意味著平均（jun1）臨界場強達到了3.8MV/cm，大約是4倍（bèi）於GaN的臨界場強，成為了“燎原之火”。

更（gèng）重要的是，Chabak指出GaO的低熱導率並不會阻礙其成為（wéi）主（zhǔ）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和背麵減薄技術相結合，可以讓（ràng）器件熱阻達到接近SiC的水平。

AFRL目前致力於在短期內（nèi）突破電子束光刻技術（shù）引入到製程工藝中，並將晶體管的尺寸降到um以下，這樣將可使器件具備（bèi）非常高的速度和擊（jī）穿電壓，成為快速開關應用的（de）有力競爭產品。

AFRL正在試圖突破GaO外延技術，並且資助了諾格公司（sī）的（de）子公司（sī）Synoptics開發GaO的襯底生長技術，當各個環節具備之後，美國（guó）將是第二個徹（chè）底實（shí）現全產業鏈國產化的國家。

（2）美國紐約州立大學布法羅分校（xiào）（UB）

據外媒報道，2020年4月，美國紐約州立大學（xué）布法羅（luó）分校（the University at Buffalo）正（zhèng）在研發一款基於氧化镓的晶體管，能（néng）夠承受8000V以上的（de）電壓，而且隻有一張紙（zhǐ）那麽薄。該團（tuán）隊（duì）在2018年製造了一個由5微米厚（hòu）（一張紙厚約100微（wēi）米）的氧化（huà）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，應用在電動汽車、機車和飛機（jī）上。

3、德國（guó）

關於德國開（kāi）展氧化镓研究的報（bào）道較少，目前（qián）僅看到德國萊布尼茨晶體生長研（yán）究所（IKZ）2009年開始研發和生長GaO晶體，使用提拉法，采用銥金坩堝（guō），包括活動的銥金後加熱器，生長出的晶體直徑為2英寸，長度為40～65mm，晶體的結晶特性較好。此（cǐ）外，其也為（wéi）美國AFRL供應（yīng）了GaO外延（yán）片。

4、中國

我國其實（shí）開展氧化镓研究已（yǐ）經十餘年，但是直到近年來（lái）46所（suǒ）的技術突破才實（shí）現了距離產業化“一步之遙”，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（kē）46所、西安電子科技大學、上海光機所、上海（hǎi）微係統所、複旦大學、南（nán）京大學等高校及科研院所，科技成果（guǒ）轉化的公司有北（běi）京镓族科技、杭州富加镓業。國內團隊未見關於（yú）GaO MOS的報道。

（1）中電（diàn）科46所

據觀察者網在2019年2月的報道，中國電科46所經過多（duō）年氧化镓晶體生長技術探索，通過改進熱（rè）場（chǎng）結構、優化生長氣氛和晶體（tǐ）生長工藝（yì），有效解（jiě）決了（le）晶（jīng）體生長過程（chéng）中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問（wèn）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年底製備出國內第一片高質量的4英寸氧化镓單晶。報道（dào）指出，中國電科46所製備的氧化镓（jiā）單晶的寬度接近100mm，總長度達到250mm，可（kě）加工（gōng）出4英寸（cùn）晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。這也是目前為止國內唯一能夠達到該尺寸的記錄保持者（zhě）。

（2）西（xī）電大學（xué）/微（wēi）係統所

據中國科學院上海（hǎi）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（xìn）息技術研究所（suǒ）研究員歐欣課題組和西安電子科技大學郝躍（yuè）課（kè）題組教授韓根全攜（xié）手，在（zài）氧化镓功率器件領域取得了新進展。歐欣課題組和韓根全課題組利用（yòng）“萬能離子刀”智能剝離與轉移技術，首次將晶圓級β相（xiàng）GaO單晶薄膜（400nm）與（yǔ）高導熱（rè）的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，並製備出（chū）高性能器件。報道（dào）指出，該工作在超寬禁帶材料與功（gōng）率器件領域具有裏程碑式（shì）的（de）重要意義。首先（xiān），異質集成為（wéi）GaO晶圓散（sàn）熱問題提（tí）供了最優（yōu）解決方案，勢必推動（dòng）高性能GaO器件研（yán）究的發展；其次，該研究將（jiāng）為我（wǒ）國GaO基礎研究和工程化提（tí）供優質（zhì）的高（gāo）導熱襯底材（cái）料，推動GaO在高功率器件領域的規模（mó）化應用（yòng）。

（3）複旦（dàn）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（rì）盲探測器（qì）研究中（zhōng）取得重要進展。報道表示，方誌來團隊采用（yòng）固-固相變（biàn）原位摻雜技術，同時實現了高（gāo）摻雜濃度、高晶體質量與能帶（dài）工程，從而（ér）部分解決（jué）了氧化镓（jiā）的p型摻雜困（kùn）難問題。

（4）北京镓（jiā）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（shì）國內首家（jiā）、國際第二家專業從（cóng）事第四（sì）代（超寬禁帶）半導體氧化（huà）镓材（cái）料開發及應用產業化的高科技（jì）公司，是（shì）北京郵電大學（xué）的唐為華老師從2011年以來致力於氧化镓材料及器件形成科研成果的產業化平台。

公司研發和生產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（máng）紫外探測（cè）器件、高（gāo）頻大（dà）功率器件，已與合作單位一起已經實（shí）現1000V耐壓的肖特基二極管模（mó）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外探測器分立（lì）器件和陣列成像器件，為深紫（zǐ）外光電器件提供了良好（hǎo）解決方案，可支持極弱火焰和極弱電弧實時檢測等，並已（yǐ）推出係統化模塊（kuài）。公司已申請40餘項專利，完成了產業中試的前期技術、人員（yuán）、軟硬件等量產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，具備研發和小批量生產能力，初步（bù）構建了氧化單晶襯底、氧化镓異質/同質外延（yán）襯底生產和研發平台。未來將不（bú）斷（duàn）完善晶體生長、晶（jīng）體加工、外延薄膜性能測試、微納（nà）加工、聯合研發等六大平台搭（dā）建。

（5）杭州富加镓業

據官網信息，公司（sī）成（chéng）立於2019年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（chǎn）業化平台——杭州光機所孵化的科技型企業。

富加（jiā）镓業專注於寬禁帶半導體材料研（yán）發，公司核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背景，團隊成員（yuán）主要來自中國科學院、美英（yīng）海歸等業內資深人才，研發人員中碩士以上比例達（dá）到80%；公司廠房麵積八千餘平米，擁（yōng）有多台大尺寸導模法（fǎ）晶體生長爐、多氣氛晶體退火爐、高精密拋光（guāng）機等儀器（qì）設備，為公司的（de）發展提供了基礎支撐和持續創新動力硬件保證。

富加镓業最初技術來源於中科（kē）院上海光機（jī）所技（jì）術（shù）研發（fā）團隊，該（gāi）團隊是我國最（zuì）早（zǎo）從事氧化镓（jiā）晶體生長的團隊，從（cóng）04年開始即開展研究。富加镓業專業（yè）從事氧化镓（jiā）單晶材料設計、模擬仿真、生長及性能表（biǎo）征等工作，形（xíng）成了（le）較鮮明的特色和（hé）優勢。我們注（zhù）重知識產權保護和氧化镓相關基礎探索研究工作，在全球（qiú）範圍內（nèi）對氧（yǎng）化镓晶體材料生長及上下遊應用領域的（de）專利進行布局，申請進（jìn）入歐盟、美國、日（rì）本（běn）、韓國、新加坡等國家（jiā）。團隊的（de）氧化镓晶體材料及器件（jiàn）基礎研究成果，多篇科研論（lùn）文已發表在國（guó）際頂級學術期刊上，與全球科研工作者共享最新（xīn）研究成果，共同推動全球第（dì）四代半導體（tǐ）相關行業的發（fā）展。

（6）其他

山東大學采用金屬有機化學氣（qì）相沉積（MOCVD）法研究了（le）β相GaO薄膜的生長及（jí）其光學性質。北（běi）京郵電大學、電子科技大學、中（zhōng）山大學也分別獨立（lì）開展（zhǎn）了β相GaO薄膜及日盲紫外探測器的研究，已取得了一些重要的研究成果，但基（jī）本未見在晶體材料方麵的相關報道（dào）。

5、其他

印度的Raja Ramanna先進技術中心采用類似EFG的方法，生長出直徑5～8mm、長度40～50mm的（de）低缺（quē）陷β相GaO單晶（jīng），（400）麵XRC半高寬約為（wéi）0.028°。

葡（pú）萄牙聖地亞哥大學采用激光加熱浮區（qū）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用（yòng）電的需求成為主流（liú），功率器件的重要（yào）程度日益提高，而（ér）日本已經明顯（xiǎn）在第四（sì）代半導體的氧化镓材料方（fāng）麵處於領先（xiān）優勢，日本半導體（tǐ）界也（yě）將GaO作為日本（běn）半導體（tǐ）產業“複興（xìng）的鑰匙”，已在國（guó）內掀起研（yán）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（zhuī）趕，可（kě）以想到的是，美（měi）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（lǜ）器件競賽已然拉（lā）開帷（wéi）幕，而中國將（jiāng）可能獨（dú）自前行。

功率半導體的行（háng）業（yè）特征適合氧化镓器件的爆發式增長

功率半導體用於所有電力電子領（lǐng）域，市場成熟穩定且增速緩慢。但是，業界對於更大功率（充放電更快）、更高效節能（減少發熱更安全環保）、更小體積和重量（更便攜易安裝維護）以及更低（dī）成本（更廣（guǎng）闊的應用和市場）的追求是永無止境的。因此近年來，新能源汽車、可再生能源發電、變頻家電、快充等新應用領域迎來了新的巨大增長點（diǎn）。

①行業特征一：不需（xū）要追趕摩爾（ěr）定律，一般使用0.18~0.5um製程即可，倚重材料質量，對材料和器件的生產工藝要求高，因整體趨向集成化、模（mó）塊化，需要開（kāi）發新（xīn）的封（fēng）裝設計。

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

l 製（zhì）造環（huán）節：因不（bú）需要追趕摩爾定（dìng）律，產線對先進設備（bèi）依賴（lài）度不高，整（zhěng）體資本支出較小（xiǎo）。

l 封裝環節：可（kě）分（fèn）為分立器件封裝和模塊封裝，由於功率器件（jiàn）對可靠性要求非常高，需采用特殊設計和材料，後道加工價值量占比達35%以上，遠高於普通數字邏（luó）輯芯片的10%。目前，根據在研（yán）項目和產（chǎn）品布（bù）局看，國內企業開始向價值量更高的中高端產品轉型。

②行業特征二：功率半導體（tǐ）行業一般采用IDM模式，更適合企業做大做強。上遊的襯底、外延企業雖可以成為單（dān）獨環節，但如特征（zhēng）一所述，工藝占比很高，芯（xīn）片設計和製造環節是要集成在一起的，否則（zé）將喪失技（jì）術進步的能（néng）力，並且產能受（shòu）到限（xiàn）製，因此委外代工僅（jǐn）可作為低端產品的產能補充。

③行業特征三：新能源車等新興應用不斷推動（dòng）新半導體材料興起。

氧化镓單晶材料在功率電子器件方麵具有極大的應用潛力。典型的應用領域包括：電動汽車、光（guāng）伏逆變器、高（gāo）鐵輸電（diàn）、軍用電磁軌（guǐ）道炮、電磁彈射、全電艦（jiàn）艇推進等；除此之外，氧化镓自身即有不錯的射頻特性，當前由於低成本及（jí）與（yǔ）GaN的低失配的特性，還可用於GaN材料的外延襯底，GaN及HEMT具有功率密度高、體積小、可工作在40GHz等優點，是5G基站攻（gōng）略放大器的首選（xuǎn）材料。因此，5G行業的迅速發展也將帶動氧化镓單晶襯（chèn）底產業的迅速發展。

新能源、5G等新興（xìng）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（yù）快速縮短（duǎn）和海（hǎi）外企業的差距（jù）。

①天時：第四代材料在高功率、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，行業整體都處於產（chǎn）業（yè）化起步階段。

②地利：受下遊新能源車、5G、快充等新興市場需求以及潛在的矽材替換市場驅動（dòng），目前（qián）深入研究和產業化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術儲備較弱，真正有技術的公司麵對（duì）的競爭壓力小。

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大的市場價值，可獲得（dé）國家在政策和資金方麵的大力支持。

我國（guó）發展氧化（huà）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（wèi）有的斜（xié）率快速增（zēng）長，這得益於其材料可以通過上文提到的液相法進行生長，且已經接近目前SiC和GaN的最大商用（yòng）化尺寸。

矽基材料經（jīng）過了50年的發展，達（dá）到了目前的12寸（cùn）。

SiC材料的（de）最大尺寸記錄（lù）是近日更名為（wéi）Wolfspeed的美國Cree公司所推出的8英（yīng）寸襯（chèn）底樣品，其尚（shàng）未導入大規（guī）模商業化，產業界剛剛準備規模化生產基於6英寸（cùn）襯底的功率器件。

由於（yú）國內LED產業的高度發（fā）展，業界基於8英寸矽基GaN的功率電子（zǐ）器件發展（zhǎn）相對較快。

如此看來，GaO很有可能（néng）在尺寸方麵，即大規模製造的可能性（xìng）和成本方麵對（duì）上（shàng）述（shù）造成後來者居（jū）上的威脅。