一文看懂第四代半导体材料——氧化镓

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我们都曾被一句“充电5分钟，通话2小时”洗脑，又快又小的充电头有谁不爱。

自从手机厂商在快充中用到了氮化镓（GaN），这种第三代半导体材料便几乎成为快充标配。

在你刚用上氮化镓制成的充电头时，科学家与产业界便已瞄准更强的第四代半导体材料：氧化镓（Ga₂O₃），它能造出更强的充电头。

当前国内超三分之二的半导体产品完全依赖进口，高端半导体材料更是遭遇卡脖子。但氧化镓不同，这种新兴材料在国内外均在产业化前夜，我们有突破和超越的潜力，因此值得重点关注。

本文关注氧化镓国产替代。在本文中，你将了解到：氧化镓是什么，氧化镓从制备到器件，氧化镓市场情况。

付斌丨作者

李拓丨编辑

果壳硬科技丨策划

01

出生即巅峰

第四代半导体材料有不少“潜力股”，但其中氮化铝（AlN）和金刚石仍面临大量科学问题亟待解决，氧化镓则成为继第三代半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）之后最具市场潜力的材料，很有可能在未来10年左右称霸市场。

氧化镓有5种同分异构体，分别为α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga₂O₃（β相氧化镓）最为稳定，当加热至1000℃或水热条件（即湿法）加热至300℃以上时，其他所有亚稳相的异构体都会被转换为β相异构体。^[1]

β相氧化镓材料是目前半导体界研究最多，也是离应用最近的材料，目前产业化均以β相氧化镓为主，下文讨论内容也均指代β相氧化镓。

β相氧化镓的熔点为1820 ℃，其粉末呈白色三角形结晶颗粒，密度为5.95g/cm³，不溶于水^[2]。其单晶具有一定的电导率，不易被化学腐蚀，且机械强度高，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优点。^[3]

氧化镓不同同分异构体具体参数，制表丨果壳硬科技

氧化镓各同分异构体相互转换关系，图源丨《物理学报》^[4]

氧化镓天资卓越，材料属性天生丽质，出生就注定能够成为市场热捧。它拥有着超宽带隙（4.2~4.9eV）、超高临界击穿场强（8MV/cm）、较短的吸收截止边及超强的透明导电性等优异的物理性能。氧化镓器件的导通特性几乎是于碳化硅（SiC）的10倍，理论击穿场强是碳化硅的3倍多。

不止如此，它的化学和热稳定性也较为良好，同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。

第一代~第四代半导体材料特性对比，制表丨果壳硬科技

氧化镓对比硅、氮化硅和碳化硅，图源丨《新材料产业》^[5]

但材料领域从来没有十全十美，也从来不存在单兵作战。一方面，氧化镓的迁移率和导热率低，不及碳化硅和氮化镓，可能受到自热效应影响，从而导致设备性能下降；另一方面，实现p型掺杂难度较大，难以制造p型半导体，成为实现高性能器件的主要障碍。^[6]

好在研究人员发现，当温度由室温升高至250℃时，氧化镓制造的器件性能不会出现明显的衰退，实际应用中很少会超过250℃，并且氧化镓器件可以非常小、非常薄，所以即使热导率低，也可以非常有效地进行热管理^[7]。同时，业界已设计多样的器件构型，有效规避了p型参杂困难的问题，实现了良好的器件性能。

虽然这两个缺陷可以避免，但实际应用中仍需进一步探讨。

使用氧化镓制作的半导体器件可以实现更耐高压、更小体积、更低损耗，因此它在光电探测、功率器件、射频器件、气敏传感、光催化、信息存储和太阳能利用等都有潜在应用价值。目前为止，日盲紫外光电探测器件和功率器件（SBD、MOSFET）是氧化镓商业化趋势明朗的两个领域。

02

制备是问题

既然优势多多，那为什么这一赛道还没爆发？这是因为氧化镓的路一直卡在大规模制备这一步，随着研究深入和器件应用明朗，产业化的路逐渐铺平。

氧化镓的研究主要以应用为导向发展，而从氧化镓材料转换为芯片，与碳化硅的“衬底→外延→器件”的产业体系类似。

氧化镓材料研究历史，制表丨果壳硬科技

衬底指的是由半导体单晶材料制造而成的晶圆，在经过切、磨、抛等仔细加工后便是芯片制造的基础材料抛光片；外延指的是在抛光后的单晶衬底上生长一层新单晶薄膜的过程，外延片相当于是半导体器件的功能性部分；器件就是能实现具体功能的某种芯片，晶圆先会经历光刻、刻蚀、离子注入、CMP、金属化、测试等工艺，再经历切割、封装等复杂工艺。

氧化镓在这一过程中，既可以充当衬底材料，也可以充当外延材料。

不同种类晶圆优势和应用，制表丨果壳硬科技

资料来源丨公开资料

晶圆按直径分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格，芯片是从加工后的晶圆上切割下来的，但晶圆与芯片却是一圆一方，因此只有晶圆越大才能切出更多完整的芯片。晶圆尺寸与制程也息息相关，目前14nm或更先进制程的芯片基本都采用12英寸晶圆制造，因为晶圆越大，衬底成本就越低。^[8]

因此只有当氧化镓被制成一定尺寸的晶圆，才能真正投入产业化，并且晶圆尺寸还要越做越大。

单晶生长

大尺寸高质量的β相氧化镓晶圆生产非常困难，这是因为其单晶熔点达1820℃，高温生长过程中极易分解挥发，容易产生大量的氧空位，进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷，此外高温下分解生成的GaO、Ga₂O和Ga等气体会严重腐蚀铱金坩埚。^[9]

氧化镓单晶生长研究最早可以追溯到20世纪60年代，制备方法主要包括焰熔法、提拉法、导模法、光浮区法、布里奇曼法。

氧化镓单晶生长技术情况，制表丨果壳硬科技

目前国际上走得最远的是日本NCT公司，是全球氧化镓衬底的供应主力，该公司采用导模法成功生长最大6英寸氧化镓单晶，而其它方法仍然无法制造产业所需的大尺寸衬底。

但导模法制造的氧化镓患有严重的“贵金属依赖症”，在制造过程中需要使用基于贵金属铱（Ir）的坩埚。铱元素全球储量稀少，每克铱的价格高达上千元，约是黄金价格的3倍，长晶设备中仅一个坩埚价格就超500万元 。

成本对国外产业来说已是核心问题，普遍会采取增大铸锭尺寸、提高加工率、延长坩埚寿命来降低铱坩埚成本，更彻底的解决方案就是研究其他转换路线。

这对国内产业来说更是棘手问题。虽然中国镓元素储量全球第三位，高纯度氧化镓原料储备丰富，生长晶体能耗降低80%，成品率可达50%及以上^[10]，但我国铱矿藏并不丰富，依赖进口，有断供风险。更为雪上加霜的是，坩埚易损坏且有使用次数限制。贵就造不起，高价造出来又坏不起，成了死循环。^[11]

不同氧化镣晶体制备方法的优缺点对比，图源丨《机械工程学报》^[9]

国内开展氧化镓单晶生长研究只有十余年，成熟度和稳定性不及国外。中电科46所、西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、浙江大学等研究机构已开发出自主知识产权的生长技术，打技术垄断，不过最高只能加工到4英寸衬底。

为了让这项技术逐渐产业化，国内主要策略是减少贵金属铱的使用，并推动无铱工艺的摸索研究，这种趋势在产业化脚步加快之际越来越明显：初创公司进化半导体宣称，已开发出独创的“无铱法”特色工艺，解决成本痛点^[12]；2022年5月，浙江大学杭州国际科创中心则宣称，已发明全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆，减少了贵金属铱的使用，目前已经成功制备直径2英寸的氧化镓晶圆。^[13]

薄膜外延

外延生长是制备半导体器件的核心工艺之一，与器件性能息息相关。当衬底材料和外延材料均为氧化镓时，此时的外延被称为同质外延，反之则称为异质外延。

受限于氧化镓单晶衬底尺寸、质量、电学性能等因素，目前氧化镓外延生长研究集中在异质外延，为数不多的同质外延也是基于最为稳定和最强解理面的（100）面衬底。^[14]

外延的分类，制图丨果壳硬科技

目前用于氧化镓的外延薄膜沉积技术包括分子束外延技术（MBE）、分子有机气相沉积（MOCVD）、喷雾化学气相沉积（mist-CVD)、卤化物气相外延沉积技术（HVPE）。

氧化镓外延技术情况，制表丨果壳硬科技

参考资料丨《新材料产业》^[5]

国际上两个主流技术当道：NCT公司的EFG结合HVPE技术和IKZ研究所的Cz结合MOVPE技术。但在竞争过程中，由于EFG比Cz拥有更大的晶体尺寸，HVPE的外延沉积速率约为MOVPE的10倍，因此EFG结合HVPE技术路线成为了主流，并实现了产业化。

虽然国内氧化镓体单晶制备技术已取得显著进步，但国内氧化镓外延技术较为薄弱。中电科46所是国内氧化镓技术较为领先的：2019年中电科46所用导模法制备了4英寸氧化镓晶圆，2021年12月又成功制备出HVPE氧化镓同质外延片，突破了HVPE同质外延氧化镓过程中气相成核和外延层质量控制等难题，填补国内空白。^[15]

器件应用

产出晶圆并不意味着万事大吉，还涉及许多问题。

由于氧化镓晶体脆性较大、易解理属性较强、断裂韧性较低，传统的游离磨料研磨加工很容易在表面产生裂纹和凹坑等缺陷，晶圆的超精密加工，包括研磨、抛光等都会牵扯出一系列工艺研究，产业化过程将带动整个链条。^[16]

在器件应用上，氧化镓生长单晶前期主要针对日盲深紫外探测器，2012年氧化镓同质外延片应用至功率器件后，才正式开启了产业化新纪元。

目前氧化镓研究集中在肖特基势垒二极管（SBD）和金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）两种器件形态，通过增强器件结构，不断刷新着击穿电压数值。

器件发展上，日本入局较早，三菱重工、丰田、日本电装、田村制造（与NICT合作成立NCT）、日本光波等企业早已介入氧化镓的产业发展和布局，发展态势迅猛。美国相对缓慢，Kyma公司2020年推出1英寸氧化镓晶圆。^[17]

国际公司/机构氧化镓产业化历史，制表丨果壳硬科技

国内氧化镓器件属中国电子科技集团公司第十三研究所的器件较为领先，其利用栅下热氧化技术实现的增强型氧化镓MOSFET器件阈值电压达到4.1V，开关比达到10⁸；提出的双层源场板结构可以有效抑制氧化镓沟道和氮化硅（SiN）钝化层中的尖峰电场强度，器件击穿电压超过3000V。^[5]

03

国内投融资开始涌动

氧化镓是未来十年的生意，行业分析人士表示，预计到2030年，全球氧化镓及功率器件市场规模将达到98.6亿元。^[18]

在产业化方面，国内刚刚起步，但很多投资基金已经开始关注到氧化镓的未来，寻求相关创业项目和创业团队，推动国内氧化镓发展。北京镓族科技、杭州富加镓业、北京铭镓半导体、深圳进化半导体是目前在投融资市场较为活跃的四家公司——

• 北京镓族科技是国内入局比较早的一家公司，注册成立于2017年年底，是国内首家、国际第二家专业从事氧化镓半导体材料开发及应用产业化的高科技公司，是北京邮电大学的科研团队科研成果转化形成公司；^[19]

• 杭州富加镓业科技有限公司成立于2019年12月，是由中国科学院上海光机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；^[20]

• 北京铭镓半导体是可实现国产工业级氧化镓半导体晶片小批量供货的中国厂家，这家公司已开始布局“氧化镓”材料产业全链路；^[21]

• 深圳进化半导体则称预计在一年内实现2英寸β相的单晶衬底的小批量生产和销售，目前已有潜在客户表达了联合测试意愿。^[12]
  

国内氧化镓融资主要情况，制表丨果壳硬科技

据《中国电子报》预测，辐射探测传感器芯片和功率校正、逆变、高功率和超大功率芯片是氧化镓两个主要方向，尤其是在超宽禁带系统可用功率和电压范围方面会发挥重要作用，包括电力调节和配电系统中的高压整流器、电动汽车和光伏太阳能系统等有利应用场景。^[22]

进化半导体公司CEO许照原在36氪访谈中表示，碳化硅用了40年时间发展，氧化镓则仅用了10年，踩着碳化硅脚印前进的氧化镓很有可能有类似的发展行径：先在市场门槛较低的快充和工业电源领域落地，后在汽车领域爆发。^[23]

氧化镓在十年内已取得重大进展，眼看离产业只差一步之遥，但针对材料制备和相关性质研究仍然不够系统和深入，若想统治未来，掌握现在这十年是关键。

References：

[1] Rustum R, Hill V G, Osborn E F. Polymorphism of Ga2O3 and the system Ga2O3-H2O[J]. J. Am. Chem. Soc., 1952, 74: 719-722. https://doi.org/10.1021/ja01123a039

[2] PEARTON S J,YANG J C,CARY PH,et al.A review of Ga2O3 materials,processing,and devices[J].AppliedPhysics Reviews,2018,5(1):011301.https://doi.org/10.1063/1.5006941

[3] 潘惠平, 成枫锋, 李琳, 等. 蓝宝石衬底上生长的 Ga2+xO3− x 薄膜的结构分析[J]. 物理学报, 2013, 62(4): 1-5. ’

[4] 郭道友, 李培刚, 陈政委, 吴真平, 唐为华. 超宽禁带半导体β-Ga2O3及深紫外透明电极、日盲探测器的研究进展. 物理学报, 2019, 68(7): 078501.

[5] 李龙,宫学源,李培刚.超宽禁带半导体氧化镓材料的产业进展及未来展望[J].新材料产业,2021(05):14-19.

[6] 郝跃.高效能半导体器件进展与展望[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2021,33(06):885-890. 

[7] CSC化合物半导体：氧化镓的光辉潜力（上）.2020.9.8.https://mp.weixin.qq.com/s/dC_96r2MmuWPoT-aUXvv2w

[8] 上海科协：一块晶圆可以生产多少芯片？.2020.8.19.https://mp.weixin.qq.com/s/Ov3P133HQZj4JBJIY6jojA

[9] 高尚,李洪钢,康仁科,何宜伟,朱祥龙.新一代半导体材料氧化镓单晶的制备方法及其超精密加工技术研究进展[J].机械工程学报,2021,57(09):213-232. 

[10] SEMI：SEMI化合物半导体设备与材料论坛圆满举办.2020.9.30.https://mp.weixin.qq.com/s/EtHVBtIxBlDJhaLYDKufiA

[11] 芯魔：无铱法让火爆的氧化镓真正具备产业化价值.2022.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/48RGt-FLfrOQv_NVvrJARg

[12] 投资界：首发 |「进化半导体」获数千万天使轮融资，祥峰投资领投.2021.8.4.https://news.pedaily.cn/202108/475465.shtml

[13] 浙大杭州科创中心：国际首创！浙大杭州科创中心首次采用新技术路线成功制备2英寸氧化镓晶圆.2022.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/OOVhOSV40LdynL9OLpZplg

[14] 王新月,张胜男,霍晓青,周金杰,王健,程红娟.超宽禁带半导体β-Ga_2O_3相关研究进展[J].人工晶体学报,2021,50(11):1995-2012.

[15] 中国电科：国内首家！46所成功制备出HVPE氧化镓同质外延片.2021.12.9.https://mp.weixin.qq.com/s/17E1AoH4SOilxb12YaYG0Q

[16] 蒋网,周海,计健,任相璞,朱子岩.易解理氧化镓晶片的半固结研磨工艺[J].表面技术,2022,51(03):178-185+198.

[17] CSC化合物半导体：展望2021之镓族科技：国产氧化镓功率器件将相继问世.2021.2.6.https://mp.weixin.qq.com/s/PY4Qfv8n6Mg6HDIuzv-WEg

[18] 创业邦：融资丨「铭镓半导体」完成数千万元Pre-A轮融资，洪泰基金领投.2021.8.20.https://www.cyzone.cn/article/647004.html

[19] 刘超.镓族科技:超宽禁带材料先行者[J].新材料产业,2019(01):35-37.

[20] 杭州富加镓业官网：http://fujia-hiom.com/

[21] 洪泰Family：洪泰基金领投，铭镓半导体完成数千万元Pre-A轮融资 | 洪泰Family.2021.8.20.https://mp.weixin.qq.com/s/0TtzRuna-5oqJkCWUrdQww

[22] 许子皓. 日本研制成功氧化镓结晶新技术[N]. 中国电子报,2022-04-29(007).

[23] 36氪Pro：晶圆成本仅为碳化硅10%，四代半导体材料距离商业落地还有多远？｜36氪专访.2022.5.30.https://mp.weixin.qq.com/s/K7l3B2Jb2lxWH-sb7SeIlQ

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