近日，厦门大学电子科学与技术学院杨伟锋教授团队在第四代半导体氧化镓（β-Ga2O3）外延生长技术和日盲光电探测器制备方面取得重要进展，为β-Ga2O3异质外延薄膜的大面积生长和高性能的器件应用提供了重要支持。

β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，简单二元组成，带隙可调，制备工艺简单等优势在日盲光电探测器领域受到广泛关注。在β-Ga2O3薄膜生长方面，研究团队利用分子束外延技术（MBE）实现了高质量、低缺陷密度的外延薄膜生长。并通过改变反应物前驱体和精密控制生长参数，成功实现了β-Ga2O3外延薄膜的均匀生长和优良的晶体质量，有力地推动了β-Ga2O3薄膜的高质量异质外延的发展。同时，研究团队还通过对MBE外延生长过程中的β-Ga2O3薄膜生长机制进行详细探究，揭示了其成核、生长的差异性，并建立了相对应的外延生长机理模型图。

在β-Ga2O3日盲光电探测器制备方面，研究团队基于II型能带结构制备的CuCrO2/β-Ga2O3 p-n异质结型的自供电日盲光电探测器具有6.5 pA的低暗电流、5.7×104的高光暗电流比、50 mA/W的高响应度、3.7×1012 Jones的高探测率和24.6%的高外量子效率，优于大多数报道的基于β-Ga2O3的异质结光电探测器。

另外，研究团队在MBE异质外延β-Ga2O3生长机制的基础上，结合半导体光电响应原理，探究了异质外延β-Ga2O3薄膜日盲光电探测器的性能指标。研究团队利用臭氧作为前驱体所制备的金属-半导体-金属结构日盲光电探测器表现出7.5 pA的暗电流、1.31×107的光暗电流比、1.31×1015 Jones的比检测率和 53 A/W的光响应度，表现出相当优异的对日盲紫外光的探测性能。

同时针对外延薄膜光电探测器暗电流大的不足，研究团队在金半界面处引入了钝化层改善器件性能：利用AlN/β-Ga2O3界面工程对金半界面处的载流子传输进行调控，所制备的金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属（MISIM）结构的日盲光电探测器实现了响应度和响应速度的同时优化。具有 3 nm AlN 层的光电器件表现出482 A/W的响应度、2.48×1015 Jones 的比探测率和0.10 s的快下降时间。

研究团队在β-Ga2O3材料和器件的研究进展为超宽禁带半导体在日盲深紫外探测器领域的应用和发展提供了技术参考，推动超宽禁带半导体基光电子技术的创新发展，为构建低噪声、高光响应的光电子器件开拓了研究途径。


超越碳化硅，氧化镓的优势

氧化镓，这种第四代半导体材料，具备禁带宽度大（4.8 eV）、临界击穿场强高（8MV/cm）、导通特性好等优势。氧化镓有五种已确认的结晶形态，其中最稳定的是β-Ga2O3。其禁带宽度为4.8～4.9 eV，击穿场强高达8 MV/cm，而其导通电阻比SiC、GaN低得多，极大降低了器件的导通损耗。其特性参数巴利加优质（BFOM）高达3400，大约是SiC的10倍、GaN的4倍。

相比于碳化硅和氮化镓，氧化镓的生长过程可以使用常压下的液态熔体法，这使得其品质高、产量大且成本低。但 SiC、 GaN等材料因其特殊性质，目前仅能采用气相法制备，且需保持较高的温度、较高的能耗。这意味着，在生产上，氧化镓会占据一定的成本优势，而国内的工厂也会迅速扩大产能。

与SiC相比， 氧化镓在各方面都优于SiC。特别是其较大的禁带宽度和较高的击穿场强，使得它在大功率和高频率应用中具有显著优势。


氧化镓的具体应用和市场潜力

氧化镓的发展前景日益凸显，该市场当前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia两大巨头垄断。NCT自2012年开始投入氧化镓的研发，成功突破多项关键技术，包括2英寸氧化镓晶体与外延技术，以及氧化镓材料的量产等。其高效性与高性能受到了行业的广泛认可。其在2021年成功量产4英寸氧化镓晶圆，并已开始供应客户晶圆，为日本在第三代化合物半导体竞赛中再度保持领先。

据NCT预测，氧化镓晶圆的市场在未来十年将放量增长，到2030年度将扩大到约30.2亿元人民币规模。FLOSFIA预测，到2025年，氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年将达到15.42亿美元（约100亿元人民币），占碳化硅的40%，是氮化镓的1.56倍。根据富士经济的预测，到2030年，氧化镓功率元件市场规模将达到1,542亿日元（约92.76亿元人民币），将超过氮化镓功率元件的市场规模。这种趋势反映了氧化镓在功率电子设备中的重要性及其未来的潜力。

在一些特定应用领域，氧化镓有着巨大的优势。在功率电子领域，氧化镓功率器件与氮化镓、碳化硅有部分重合，军用领域主要应用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等。民用领域则主要应用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域。

新能源车市场也为氧化镓提供了巨大的应用场景。然而，国内在车规级功率器件方面一直很薄弱，目前尚无车规的SiC MOS IDM。虽然有几家在XFab代工的Fabless企业可以快速具备较为全面的SBD和MOS规格推向市场，销售和融资进展较为顺利，但是未来仍要自建FAB 形成IDM掌握产能、研发独有工艺，才能产生差异化的竞争优势。

充电桩对成本非常敏感，这就为氧化镓提供了机会。如果能满足甚至超过性能需求的同时，以成本优势获得市场的认可，那么氧化镓在这个领域的应用就有很大的可能性。

在射频器件市场，氧化镓的市场容量可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场。新能源汽车的核心是逆变器，对器件的规格要求非常高。目前，有意法半导体、日立、安森美、Rohm等企业能够量产供应车规级SiC MOSFET。预计到2026年，这一数字将增长至22.22亿美元（约150亿元人民币），表明氧化镓在射频器件市场具有广阔的应用前景和市场潜力。

电力电子领域的另一项重要应用是48V电池。随着锂电池的广泛使用，可以用更高的电压系统取代铅蓄电池12V电压系统，实现高效、减重、节能的目的。这些锂电池系统内将广泛采用48V电压，对于电子电力系统来说，需要的是高效率的48V→12V/5V转换。以二轮电动车市场为例，据2020年的资料显示，中国电动两轮车总体产量为4834万辆，同比增长27.2%，锂电渗透率超过16%。面对这样的市场，氧化镓、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐压大电流器件正在瞄准这个应用发力。

在工业领域，它有几大机会和优势，包括单极替换双极，更高的能效，易于大规模生产，以及可靠性的需求。这些特性使得氧化镓在未来的电力应用中可能扮演重要角色。长期来看，氧化镓的功率器件预计将在650V/1200V/1700V/3300V的市场中发挥作用，并预计在2025年至2030年将全面渗透车载和电气设备领域。短期来说，氧化镓的功率器件将首先在消费电子、家电以及高可靠、高性能的工业电源等领域出现。它的这些特性可能使其在硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等材料之间形成竞争。


无铱制备氧化镓，

PK碳化硅的时点即将到来

对于同一种材料，不能“既要便宜，也要性能好”，只能通过开发新一代材料来突破新的性能和成本瓶颈。氧化镓的出现让进化半导体CEO许照原颇为惊喜。一次偶然的机会，让他开始关注氧化镓的性能并开始组建团队进行研发。

功率半导体应用，主要是围绕耐压、电流、功率、损耗、散热几个方面进行评估。“从材料特性来看，氧化镓拥有10倍于碳化硅的功率特性优势，但是成本有潜力做到碳化硅的1/10。”许照原说，与碳化硅一样，氧化镓适用于高功率、大电压领域。相比碳化硅，氧化镓在性能和成本上更具优势。

相关数据显示，从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看，基于氧化镓材料的器件成本为195美元，约为碳化硅材料器件成本的1/5，与硅基产品的成本所差无几。此外，氧化镓的晶圆产线与硅、碳化硅、氮化镓的差别不大，转换成本不高。以目前业界的评估来说，氧化镓的芯片产线改造难度不大，比如将LED的工厂稍加转换就可以开始投入生产。

这么好的材料，为什么走出实验室的速度较慢？谈及原因，许照原解释，因为氧化镓是在高温含氧环境下生长，需要用到耐高温、耐氧化的材料，制备晶体普遍采用铱金作为坩埚材料，产业界对采用这种贵金属才能制备的材料短期内挑战碳化硅的地位抱有怀疑态度。

值得注意的是，目前，进化半导体、日本东北大学，都开发了不使用铱金的“无铱工艺”制备氧化镓，浙江大学在研发相比导模法用铱量大幅减少的“少铱工艺”，都在努力尝试降低氧化镓成本的创新方法。多点发力给了产业界信心，认为氧化镓与碳化硅竞争的时点即将到来。

作为国内目前唯一采用无铱法工艺制备氧化镓的公司，许照原表示，进化半导体未来三年将实现氧化镓衬底的大幅度降价，新工艺有望实现8英寸衬底成本低至500元，仅为同尺寸SiC衬底的1/10。

谈及如何制备氧化镓，目前市面上主要有导模法（EFG法）和无铱法等方法。导模法是当前唯一能制造大尺寸氧化镓衬底的工艺，但是无法实现低成本大批量的产业化供应。事实上，尽管导模法为产业发展作出了巨大贡献，但是这种工艺方法的产业化遇到了较大的障碍，主要是因为导模法需要用到贵金属铱（Ir）。在业界看来，导模法的工艺极限，是可以把氧化镓衬底成本做到同尺寸碳化硅的50%-60%，按现在的发展速度，达到产业链成熟、氧化镓量产应用的时间点大概是10年以后。无铱法则可以大大提速氧化镓的产业化进程。

许照原表示，在设备投入仅5%的情况下，同样时间可以生长一炉次，无铱法制备氧化镓的产量是EFG法的100倍，大幅度降低长晶环节的成本，显著提升了产能，有机会快速形成市场影响。当然技术逐步成熟还需要努力和沉淀，但可以预见，无铱法有利于提高各环节企业热情，促进产业链更加完备。