近日，中科大国家示范性微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓器件的研究论文（高功率氧化镓肖特基二极管和氧化镓光电探测器）成功被大会接收。

中国科学院院士郝跃表示，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来的10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。业内普遍认为，氧化镓有望替代碳化硅和氮化镓成为新一代半导体材料的代表。目前，各国的半导体企业都争先恐后布局，氧化镓正在逐渐成为半导体材料界一颗冉冉升起的新星。

公开资料显示，氧化镓拥有超宽带隙（4.2-4.9eV）、超高临界击穿场强（8MV/cm）、超强透明导电性等优异物理性能，导通特性约为碳化硅的10倍，理论击穿场强约为碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。

据NCT预测，到2030年氧化镓晶圆的市场将达到约590亿日元（约4.2亿美元）。有数据显示，到2030年，氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。


出道即巅峰

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。

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。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。

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。

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。

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。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。

百家争鸣，恐落人后

日本企业Novell Crystal Technology作为氧化镓晶体研发领域的先驱，是世界上最早能够量产氧化镓基础材料（单晶和外延）及器件的企业，正在联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头，以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构，推动氧化镓单晶及衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。

近日，Novell Crystal Technology与佐贺大学合作攻克了其第二代氧化镓4英寸外延片中由外延式沉积成膜过程中产生的一种特定粉末所造成的缺陷过多问题。通过改善成膜条件之后，成功制造出了第三代氧化镓4英寸外延片，缺陷降低到0.7个／c㎡，相较上一代产品，缺陷降至7%左右。

此外，Novell Crystal Technology还完成了300A～500A级的大型氧化镓肖特基势垒二极管的原型样品制作。这将使氧化镓功率器件能够真正被广泛应用于电动汽车等需要100A级功率器件的市场中。预计到2030年左右，以原油计算，节能效果将超过10万千升/年。

我国也在进行氧化镓的研发。中国科协发布的2021年度“科创中国”系列榜单中，中山大学王钢教授团队自主研发的科研成果“大尺寸氧化镓单晶薄膜异质外延生长技术及核心装备”荣登“先导技术榜”。王钢教授团队研发的设备通过独特的反应腔设计，解决了氧化镓薄膜材料异质外延生长过程中预反应强等问题，提高了批次的均匀性和良率。同时，采用多层匀气送气结构和特种喷射技术以及加热控制系统，解决了大容量大尺寸反应腔加工制造过程中的焊接组装问题，有望成为我国新兴超宽禁带功率半导体材料产业化突破口，推动我国氧化镓基功率电子器件的发展和产业化进程。

而在全球半导体产业具有全面领先优势的美国，正在从前沿军事技术布局的角度大力发展氧化镓材料及功率器件。美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局，积极寻求与美国高校和全球企业合作，开发耐更高电压、尺寸更小、更耐辐照的氧化镓功率器件。德国莱布尼茨晶体生长研究所、法国圣戈班等全球企业/科研机构也加入了氧化镓材料及器件研发的浪潮中，这种半导体材料可谓是吸引了世界的广泛关注。

我国研究氧化镓的机构和高校较多，也取得了很多研究成果，有望在应用场景和需求量逐渐明确之后，进行科技成果转移。专家表示，氧化镓基本尚未产业化，中国企业机会很多，要找准需求点，利用好现有的科研成果，以取得发展的优势。


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。

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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。

超越氮化镓，未来可期

虽然仍处于研发阶段，但氧化镓应用前景已经被多领域广泛看好。

李成明指出，以氧化镓为基础材料的功率器件具有更高的击穿电压与更低的导通电阻，从而拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率，在功率电子器件方面具有极大的应用潜力。而在日盲紫外探测方面，氧化镓具有独特的优势，可以利用这点制作光电子器件。如制作对紫外区域、波长短、禁带宽等有需求的日盲光电器件。

芯谋研究高级分析师张彬磊向《中国电子报》记者表示，氧化镓作为一种新兴的超宽带隙导体，拥有4.9~5.3eV的超大带隙（SiC和GaN的带隙为3.3eV，硅则仅有1.1eV），让这种新材料拥有更高的功率特性以及深紫外光电特性，同时这种材料又具有很好的热稳定性，因此有望基于氧化镓材料开发出小型化、高效的、耐热性优良的超大功率晶体管。

张彬磊预测，氧化镓未来的主要应用场景：一是在辐射探测领域的传感器芯片，另一个将会是在大功率和超大功率芯片方面。

池宪念则认为，氧化镓在超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面会发挥重要作用。所以，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将是氧化镓的有利应用场景。

目前，市场对于氧化镓的渴望愈发强烈，NCT预测氧化镓晶圆的市场到2030年度将扩大到约590亿日元（约合4.7亿美元）规模，而从市场调查公司富士经济对宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约合12.2亿美元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（约合8.6亿美元）还要大。

“实际上半导体新材料未来市场规模的预测必然取决于它的制造成本快速降低，氧化镓的晶圆制备思路已经回归到单晶硅的制备体系轨道，再加上为了适应新材料半导体架构的适配设计，氧化镓晶圆的市场将超出我们的想象。”李成明表示。

池宪念则更加大胆地预测，氧化镓比起以往的电子元件更有效率，在晶圆价格方面也比碳化硅等要更为低廉。2030年氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。