本届高考毕业生(高考毕业季)

本文来自微信公众号：国科硬科技（ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓，头图来自：视觉中国

我们都被“充电5分钟，通话2小时”这句话洗脑了。谁不喜欢又快又小的充电头。

自从手机厂商在快充中使用氮化镓（GaN）后，这种第三代半导体材料几乎成为了快充的标准。

当你第一次使用氮化镓制成的充电头时，科学家和工业界就已经瞄准了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。

目前，国内半导体产品三分之二以上完全依赖进口，高端半导体材料更是陷入困境。但氧化镓不同。这一新兴材料在国内外都处于工业化的前夜。我们有突破、超越的潜力，值得特别关注。

1、出生是巅峰

第四代半导体材料中存在不少“潜力股”，但其中氮化铝（AlN）和金刚石仍然面临大量需要解决的科学问题。氧化镓已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，很可能在未来10年左右占据市场主导地位。

氧化镓有五种异构体，即、、、和。其中，-Ga2O3（相氧化镓）最稳定。当加热至1000C或在水热条件下（即湿法）加热至300C以上时，所有其他亚稳相异构体将转化为相异构体。构象。[1]

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，目前产业化均以相氧化镓为主，下文讨论内容也均指代相氧化镓。

相氧化镓的熔点为1820。其粉末为白色三角形结晶颗粒，密度为5.95g/cm3，不溶于水[2]。其单晶具有一定的导电性，不易被化学物质腐蚀，机械强度高，高温下性能稳定，对可见光和紫外光具有较高的透明度，特别是在紫外光和蓝光区域透明，是传统透明导电材料的特性。没有的优点。[3]

氧化镓不同异构体的具体参数，列表|国科硬科技

氧化镓异构体之间的互变关系，图片来源丨《物理学报》[4]

氧化镓被赋予了优异的材料性能，注定会成为市场的热门产品。它具有超宽带隙（4.2~4.9eV）、超高临界击穿场强（8MV/cm）、短吸收截止边、超强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。

第一代至第四代半导体材料性能对比、制表丨国科硬科技

氧化镓与硅、氮化硅、碳化硅对比，图片来源丨《新材料产业》[5]

但材料领域从来都不是完美的，也从来不存在单枪匹马的战斗。一方面，氧化镓的迁移率和热导率较低，低于碳化硅和氮化镓，可能会受到自热效应的影响，导致器件性能下降；另一方面，难以实现p型掺杂、难以制造p型半导体成为实现高性能器件的主要障碍。[6]

幸运的是，研究人员发现，当温度从室温升至250时，由氧化镓制成的器件性能不会出现明显下降。实际应用中很少超过250，氧化镓器件可以做得非常小、非常小。薄，因此即使热导率较低，热管理也可以非常有效[7]。同时，业界设计了多种器件配置，有效避免了p型掺杂困难的问题，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。

使用氧化镓制成的半导体器件可以实现更高的耐压、更小的尺寸和更低的损耗，因此在光电检测、功率器件、射频器件、气体传感、光催化、信息存储和太阳能利用等方面具有潜力。价值。到目前为止，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确的两个领域。

2.准备是问题

既然优点这么多，为什么这条赛道还没有爆？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开展，从氧化镓材料到芯片的转化类似于碳化硅的“衬底外延器件”工业体系。

氧化镓材料研究、制表史丨国虎硬科技

衬底是指由半导体单晶材料制成的晶圆。经过切割、研磨、抛光等精心加工后，成为芯片制造的基础材料抛光晶圆；外延是指抛光的单晶衬底。在外延片上生长新的单晶薄膜的过程相当于半导体器件的功能部分；器件是能够实现特定功能的某种芯片。晶圆首先要经过光刻、刻蚀、离子注入、CMP、金属化学化、测试等工艺，然后再经过切割、封装等复杂工艺。

氧化镓在此过程中既可以作为衬底材料又可以作为外延材料。

不同类型晶圆的优点及应用，制表|国科硬科技

数据来源丨公开信息

晶圆按直径分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格。芯片是从加工好的晶圆上切下来的，但晶圆和芯片是在同一个圆上的，所以只有晶圆越大，才能切出更完整的芯片。晶圆尺寸也与制造工艺密切相关。目前，14nm以上先进工艺的芯片基本都是采用12英寸晶圆制造，因为晶圆越大，基板成本就越低。[8]

因此，只有将氧化镓制成一定尺寸的晶圆，才能真正投入产业化，晶圆尺寸将会越来越大。

单晶生长

生产大尺寸、高质量相氧化镓晶圆非常困难。这是因为其单晶熔点达到1820。高温生长时容易分解挥发，容易产生大量氧空位，进而产生孪晶、镶嵌结构和螺型位错等缺陷，并在高温下分解出GaO、Ga2O、Ga等气体。高温会严重腐蚀铱坩埚。[9]

氧化镓单晶生长的研究可以追溯到20世纪60年代。制备方法主要有火焰熔融法、直拉法、导模法、光学浮区法、布里奇曼法等。

制表业氧化镓单晶生长技术现状|国科硬科技

目前，世界上走得最远的公司是日本NCT公司，该公司是全球氧化镓衬底的主要供应商。该公司利用导模法成功生长了最大6英寸的氧化镓单晶。但其他方法仍无法生产业界所需的大尺寸氧化镓衬底。尺寸基材。

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。

成本已成为国外产业的核心问题。常见的方法是通过增大锭尺寸、提高加工速率、延长坩埚寿命来降低铱坩埚成本。更彻底的解决办法是研究其他转化路线。

对于国内产业来说，这更是一个难题。虽然我国镓储量居世界第三，高纯氧化镓原料储量丰富，但生长晶体的能耗降低了80%，收率可达50%以上[10]。但我国铱矿储量并不丰富，依赖进口。供应中断的风险。更糟糕的是，坩埚很容易损坏，而且使用次数有限。如果它很贵，你就买不起。如果它很贵，你就无法承受它的损坏。这是一个无限循环。[11]

不同氧化物晶体制备方法的优缺点比较，图片来源丨《机械工程学报》[9]

国内氧化镓单晶生长研究仅开展了十几年，成熟度和稳定性不如国外。中国电科四十六所、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、浙江大学等科研机构已开发出具有自主知识产权的开发技术并寻求技术垄断。但最大限制为加工至4英寸基板。

为了逐步将该技术产业化，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，与器件性能密切相关。当衬底材料和外延材料均为氧化镓时，此时的外延称为同质外延生长，反之称为异质外延生长。

受氧化镓单晶衬底尺寸、质量、电学性能等因素的限制，目前氧化镓外延生长的研究主要集中在异质外延生长。少数同质外延生长方法也是基于最稳定和最强的解理面（100）表面衬底。[14]

延伸分类、绘图丨国科硬科技

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

氧化镓外延技术现状，制表|国科硬科技

参考资料丨《新材料产业》[5]

国际上主流的技术有两种：NCT公司的EFG结合HVPE技术和IKZ研究所的Cz结合MOVPE技术。但在竞赛过程中，由于EFG的晶体尺寸比Cz大，HVPE的外延沉积速率约为MOVPE的10倍，因此EFG结合HVPE的技术路线已成为主流并实现产业化。

虽然国内氧化镓单晶制备技术取得了重大进展，但国内氧化镓外延技术相对薄弱。中电四十六所是国内氧化镓技术领先者：2019年，中电四六所采用导模法制备4英寸氧化镓晶圆，并于2021年12月成功制备HVPE氧化镓同质外延片，突破性解决了HVPE同质外延氧化镓工艺中的气相成核和外延层质量控制问题，填补了国内空白。[15]

设备应用

生产晶圆并不意味着万事大吉，涉及到的问题也很多。

由于氧化镓晶体脆性大、解理性能强、断裂韧性低，传统的游离磨料磨削加工很容易在表面产生裂纹、凹坑等缺陷。晶圆超精密加工包括研磨、抛光等，会涉及一系列工艺研究，产业化进程将带动整个链条。[16]

设备应用方面，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。

目前氧化镓的研究主要集中在两种器件形式：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）。通过增强器件结构，不断刷新击穿电压值。

在设备开发方面，日本进入该行业较早。三菱重工、丰田、日本电装、田村制作所（与NICT合作成立NCT）、日本光波等企业均已涉足氧化镓的产业开发和布局，且发展势头迅猛。美国相对较慢，Kyma在2020年推出1英寸氧化镓晶圆。[17]

国际公司/机构、制表业氧化镓产业化历史|国科硬科技

国产氧化镓器件隶属于中国电子科技集团公司第十三研究所。采用栅下热氧化技术实现的增强型氧化镓MOSFET器件，阈值电压为4.1V，开关比为108；所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）钝化层中的峰值电场强度，器件击穿电压超过3000V。[5]

3、国内投融资开始激增

氧化镓是未来十年的产业。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，我国刚刚起步，但不少投资基金已经开始关注氧化镓的未来，寻找相关创业项目和创业团队，推动国内氧化镓的发展。北京镓科技、杭州富雅镓、北京明镓半导体、深圳进化半导体是目前活跃在投融资市场的四家公司——

北京镓科技是国内比较早的公司。于2017年底注册成立，是国内第一家、全球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。毕业于北京邮电大学。科研团队的研究成果转化为公司；[19]

杭州富佳镓科技有限公司成立于2019年12月，是中科院上海光机所共建硬技术产业化平台、——杭州光机所孵化的科技企业科学学院和杭州市富阳区政府；[20]

北京明镓半导体是一家能够实现国产工业级氧化镓半导体晶圆小批量供应的中国制造商。该公司已开始布局“氧化镓”材料产业全链路；[21]

深圳进化半导体表示，预计一年内实现2英寸相单晶衬底的小批量生产和销售，潜在客户已表示愿意联合测试。[12]

国内氧化镓融资主要情况、列表|国科硬科技

据《中国电子报》预测，辐射探测传感器芯片和功率校正、逆变器、高功率和超高功率芯片是氧化镓的两个主要方向，特别是在超宽带隙系统的可用功率和电压范围内，将发挥重要作用。有利的应用场景包括电力调节和配电系统、电动汽车和光伏太阳能系统中的高压整流器。[22]

进化半导体CEO徐兆元在接受36氪采访时表示，碳化硅的研发花了40年，而氧化镓只用了10年。紧随碳化硅脚步的氧化镓很可能有着类似的发展路径：首先在市场门槛较低的快充和工业电源领域建立起来，然后在汽车领域爆发。[23]

氧化镓十年来取得了长足进步，距离成为产业仅一步之遥。然而，对于材料制备及相关性能的研究还不够系统和深入。想要主宰未来，掌握现在的十年是关键。

参考：

[1]RustumR,HillVG,OsbornEF.Ga2O3的多态性和Ga2O3-H2O体系[J].J.Am.化学。社会学会，1952年，74:719-722。https://doi.org/10.1021/ja01123a039

[2]PEARTONSJ,YANGJC,CARYPH,etal.Ga2O3材料、加工和器件综述[J].AppliedPhysicsReviews,2018,5(1):011301.https://doi.org/10.1063/1.5006941

[3]潘惠平，程峰峰，李林，等。蓝宝石衬底上Ga2+xO3x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，吴振平，唐伟华。超宽带隙半导体-Ga2O3、深紫外透明电极及日盲探测器研究进展。物理学报，2019,68(7):078501.

[5]李龙，龚学元，李培刚。超宽带隙半导体氧化镓材料产业进展及未来展望[J].新材料行业，2021(05):14-19。

[6]郝跃.高效半导体器件的进展与展望[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：氧化镓的辉煌潜力（第一部分）.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，李红刚，康仁科，何一伟，朱相龙。新一代半导体材料氧化镓单晶制备方法及其超精密加工技术研究进展[J].中国机械工程学报，2021，57(09):213-232。

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

[11]核心魔力：无铱法使热氧化镓真正工业化。2022.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/48RGt-FLfrOQv_NVvrJARg

[12]投资世界：首次发布|「进化半导体」获数千万天使轮融资，由祥峰投资领投。2021.8.4.https://news.pedaily.cn/202108/475465.shtml

[13]浙江大学杭州科技创新中心：国际首创！浙江大学杭州科技创新中心采用新技术路线，首次成功制备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。超宽带隙半导体-Ga_2O_3相关研究进展[J].人造晶体学报，2021,50(11):1995-2012。

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

[16]姜旺，周海，季健，任祥璞，朱子彦。易劈裂氧化镓晶片的半凝固研磨工艺[J].表面技术，2022，51(03):178-185+198。

[17]CSC化合物半导体：展望2021年镓族技术：国产氧化镓功率器件将陆续推出。2021.2.6.https://mp.weixin.qq.com/s/PY4Qfv8n6Mg6HDIuzv-WEg

[18]创业邦：融资丨“创业邦半导体”完成数千万元Pre-A轮融资，由鸿泰基金领投。2021.8.20.https://www.cyzone.cn/article/647004.html

[19]刘超.镓科技：超宽带隙材料先驱[J]新材料行业，2019(01):35-37。

[20]杭州富佳镓业官网：http://fujia-hiom.com/

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

[22]徐子豪.日本成功开发氧化镓结晶新技术[N].中国电子报，2022-04-29(007)。

[23]36KrPro：硅片成本仅为碳化硅的10%。第四代半导体材料距离商业化还有多远？36氪独家专访2022.5.30.https://mp.weixin.qq.com/s/K7l3B2Jb2lxWH-sb7SeIlQ

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