科创小课堂丨大名鼎鼎的氧化镓， 到底什么来头？
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昨天，我们推送了浙大杭州科创中心首根氧化镓单晶出炉的好消息（点击阅读原文）。那么究竟什么是氧化镓，它有什么样的应用前景？今天的“科创小课堂”就带您来了解下。
一、宽禁带半导体材料
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介绍氧化镓之前，先给大家介绍另一个名词：宽禁带半导体材料。
第一代半导体材料一般是指硅（Si）元素和锗（Ge）元素，其奠定了20 世纪电子工业的基础，这种材料至今依旧是市场上最主流的半导体材料。第二代半导体材料主要指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）、砷化铟（InAs）、砷化铝（AlAs）及其合金化合物等，其奠定了20 世纪信息光电产业的基础。而禁带半导体材料往往被称为第三代半导体材料，可以克服传统半导体的劣势，能够使设备在极端恶劣的条件下正常工作。因此，宽禁带半导体的材料可以在微电子领域发挥重要的作用，具有广阔的应用市场。
禁带宽度是半导体的一个重要特性参数，根据半导体材料的能带结构不同，可将半导体材料分成两种类型：宽禁带和窄禁带。若半导体材料的带隙宽度小于2.3eV，则称为窄带隙半导体；若半导体材料的带隙宽度大于或等于2.3eV，则称为宽带隙半导体。半导体材料的禁带宽度越大，意味着其电子跃迁到导带所需的能量越大，从而材料能承受的温度和电压越高，即越不容易成为导体。
宽禁带半导体材料非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，其具有良好的抗辐射能力及化学稳定性、较高的饱和电子漂移速度及导热率、优异的电性能等特点。近年来，迅速发展的宽禁带半导体材料在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景，可望成为支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，进行宽禁带半导体材料的相关技术研发正在成为全球半导体产业新的战略高地。
二、什么是氧化镓
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氧化镓（Ga2O3）即三氧化二镓，是镓的氧化物中最稳定的，在空气中加热金属镓使之氧化，或在200-250℃时焙烧硝酸镓、氢氧化镓以及某些镓的化合物都可形成Ga2O3。Ga2O3是一种新兴的超宽带隙（UWBG）半导体，拥有4.9eV的超大带隙。作为对比，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的带隙约为3.3eV，而硅则仅有1.1eV，超大带隙让这种新材料拥有更高的热稳定性，能处理更高的电压。再加上其能作为单晶衬底被广泛采用，可让开发者更易基于此开发出小型化、高效的大功率晶体管。这些优点都使得氧化镓成为宽禁带半导体材料碳化硅和氮化镓的重要补充。
三、氧化镓的优势
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虽然氧化镓的导热性能较差，但其禁带宽度超过碳化硅、氮化镓和硅。由于禁带宽度可衡量使电子进入导通状态所需的能量，采用由禁带较宽材料制成的系统可以比由禁带较窄材料组成的系统更薄、更轻，并且能应对更高的功率，有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。此外，宽禁带材料允许在更高的温度下操作，从而减少对庞大的冷却系统的需求。
如今，随着应用需求的发展愈加明朗，未来对高功率器件的性能要求越来越高，人们更深切地看到了氧化镓的优势和前景，相应的研发工作多了起来，已成为美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。
总的来说，氧化镓是一种新兴的功率半导体材料，在高功率应用领域的应用优势愈加明显。专家们普遍认为，氧化镓会成为碳化硅和氮化镓的重要补充。
氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。而最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动汽车和光伏太阳能系统。
但是，在成为电力电子产品的主要竞争者之前，氧化镓仍需要开展更多的研发和推进工作，以克服自身的不足。
本文部分综合自半导体行业观察公众号
本文编辑：陈小兵 罗浩强
责任编辑：吴瑶瑶
审核：王恩禹
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