等这届高考生毕业，氧化镓能改变世界吗？ - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

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。

本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第八篇文章，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

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。

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]