为啥6吋氧化镓衬底首次成功，却还不是最让人高兴的事儿？
为啥6吋氧化镓衬底首次成功，
却还不是最让人高兴的事儿？
2024年3月20日，杭州镓仁半导体有限公司宣布，公司联合浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院、硅及先进半导体材料全国重点实验室，于2024年年2月，成功制备了高质量6英寸非故意掺杂及导电型氧化镓单晶，并加工获得了6英寸氧化镓衬底片——成为国内首个掌握6英寸氧化镓单晶衬底制备技术的产业化公司。
兵器迷点评如下：
一、第四代半导体的代表——氧化镓
第四代半导体,包括窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体；超宽带隙的氧化物如氧化镓Ga2O3；低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料，等等。
氧化镓Ga2O3作为超宽带隙UWBG材料，带隙为4.5-4.9eV（不同晶相带隙不同，本子2022年做出的α型Ga2O3，带隙已经达到了惊人的5.3 ）。SiC和GaN的带隙为3.3eV，SiO2硅基半导体为1.1eV，详见6吋碳化硅衬底，也要白菜化了? (qq.com)，兵器迷疏忽了，赶紧补上！(qq.com)
目前氧化镓的主要器件，主要是肖特基势垒二极管（SBD）和金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）两种形态。其器件的体积更小、能耗更低，工作电压和临界电场更高，更高，导通电阻更低，因此适应更为苛刻的工作条件。
上图：半导体材料所适用之频率与工作功率范围 可见氮化镓Ga2O3工作在搞功率1kW-10kW领域
有了这个优势，氧化镓器件主要运用在光电器件——如光电元件方面可作为透明面板上的组件，光感与气体传感器（Ga2O3的薄膜具有透明性），超高功率——如电动车、电力系统、风力发电机的涡轮领域，和工业或军事领域的整流器等方面。预计2025年，氧化镓晶圆衬底将部分替代第三代半导体碳化硅SiC和氮化镓GaN材料。
二、氧化镓领域的先行者——本子
本子是最早在氧化镓领域获得突破的国家。其中的先锋，就是本子国家信息与通信技术研究所NICT。NICT在2012年报告了首个单晶β-氧化镓晶体管，当时震惊了整个半导体器件行业。
而京都大学投资的Flosfia，和田村制作所投资的Novel Crystal，都是全球最领先的Ga2O3供应商。2012年，本子埼玉的诺维晶科技术公司，首创了氧化镓β-Ga2O3在功率器件领域的成功应用。2015年，本子推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片。
而本子NCT（Novel Crystal Technology）公司，在全球氧化镓衬底市场中占据绝对主导地位——供应全球几乎100%的氧化镓衬底。
NCT的2吋氧化镓衬底单价约2.5万RMB，4吋衬底单价约5-6万RMB。2022年-2023年，NCT又研发出了6吋氧化镓衬底片和同质外延片。
三、我兔氧化镓衬底研发
我兔氧化镓研发起点比较晚，但进展算还比较快的。在衬底方面，近年已经又数家公司有了突破性进步，比如——
2018年，中电科46所创造了国内的氧化镓4吋衬底的记录。
2020年成立的北京铭镓半导体公司，在2022月12月9日官宣，使用导模法成功实现了2吋衬底的量产，并在4吋衬底技术上有所突破。
但在2023年底之前，国产化氧化镓只能量产2吋，和小规模生产4吋氧化镓衬底。
实验室研发出来了衬底几年了，却还是缺少量产能力，这又是为什么呢？
卖个关子，后面详解。
从研发角度看，我兔已经具备4吋氧化镓单晶和衬底，而6吋氧化镓单晶也已经在2023年3月获得突破——中国电科46所官宣制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶。
因此，下一步要做的，突破就是国产6吋氧化镓衬底了。
好消息，终于来了——
四、国产6吋氧化镓衬底，和比这更高兴的事
2024年3月20日，杭州镓仁半导体成功制备高质量6吋氧化镓单晶并加工获得6英寸氧化镓衬底片，成为了我兔氧化镓衬底的一次巨大突破——比走在最前面的本子NCT，也只差1-2年时间。
6英寸非故意掺杂氧化镓单晶
导电型氧化镓单晶
6英寸导电型氧化镓衬底
朋友问了，这6寸氧化镓衬底出来了，是大喜啊! 兵器迷怎么还说，这还不是最高兴的事儿呢？
这是因为，喜上加喜的是——杭州镓仁使用的氧化镓晶体并加工衬底制造方法，是铸造法。而不是业界最主流的导模法EFG.
用业界主流导模法进行生产氧化镓，需要在1800℃左右的高温和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，无污染等特性的材料做坩埚。目前只有贵金属铱Ir（Iridium）适合盛装氧化镓熔体。因为铱熔点高约为2680℃，在2000℃左右的高温仍能满足较高的硬度和稳定性，非常适合作为氧化镓导模法生产工具。
就是这货——
麻烦的是——铱的价格接近黄金的三倍，极其昂贵。因此氧化镓导模法中使用的铱坩埚造价就超过600万RMB。如果要扩大量产，就需要大幅度增加坩埚数量。
而我兔——偏偏又是个贫铱国
那么，如果我兔是亦步亦趋跟着本子的路数，用导模法研发出6吋衬底，当然也是好事。但一方面与先行在位者相比，我们仍落在后面；另一方面，铱坩埚仍旧受制于人，始终是个麻烦不是？
而最最令人高兴的，就是杭州镓仁制造6吋单晶-衬底用的铸造法，是由浙江大学材料科学与工程学院教授，杨德仁院士团队自主研的。
杨院士的铸造法，才是兵器迷最看重的技术优势——
首先，拥有完全自主知识产权，在我兔和鹰酱已经获得专利已授权，对突破国外技术垄断极为有利。
第二，由于贵金属铱Ir的用量及损耗相比导模法法大幅减少，因此生产成本显著降低，这对一直以来我兔难以扩大氧化镓单晶和衬底生产规模，是一个极有潜力的方法。
第三，铸造法简单可控，其工艺流程短、效率高、尺寸易放大，对未来产品升级也奠定了基础。
目前，随着国内企业制备氧化镓单晶和衬底的技术持续升级，产能也在逐步提升，虽然距离本子差得还远，但比第二名鹰酱，已经可以掰掰手腕了。
这么一看，这国产化氧化镓的6吋衬底+独创少铱铸造法——
您说：算不算喜上加喜，双喜临门呢？