氧化镓是一种很有前途的材料，可用于制造用于电动汽车和其他应用的更高效的功率器件。引人注目的是，该领域领先的美国公司的一个主要投资者是美国国防部。

正如参与其商业化的日本公司Taiyo Nippon Sanso所解释的，“其作为功率器件的理论性能远高于硅，也超过了碳化硅和氮化镓，是一种优秀的材料。”美国、日本、欧洲、韩国、台湾和中国正在开发氧化镓晶圆和器件。当美国政府对氧化镓的国家安全影响发出警告时，日本正在引领其商业化。

氧化镓材料简述

GaO氧化镓单晶材料，是继Si、SiC及GaN后的第四代宽禁带半导体材料，已知晶相共6种，包括α，β，γ 等5 种稳定相和1 个瞬态相κ－GaO，其中β 相为热力学稳定相。GaO熔点约为1793 ℃，高温下其他相均转变为β－GaO，通过熔体法只能生长获得β－GaO单晶。β－GaO在体块单晶生长方面，相对其他晶相具有明显优势。

材料特性

更高的禁带宽度，晶体禁带宽度约为4.7eV，远大于Si( 1.1 eV)、GaAs( 1.4 eV) 、SiC ( 3.3 eV)及GaN ( 3.4 eV) 等材料。大的禁带宽度使β－GaO具备制作高耐压、大功率、低损耗功率器件及深紫外光电器件的能力，可以弥补现有半导体材料的不足。

低制作成本，β－GaO在材料制备方面优势明显。β－GaO与单晶Si、GaAs 类似，可以采用熔体法生长，晶体制备成本较低。

器件尺寸更小，由于GaO优良的材料特性，GaO材料制作的半导体器件尺寸会更小。

劣势：迁移率低、导热率低。

制备方法

氧化镓单晶生长的研究最早可追溯到20世纪60年代，由于氧化镓单晶的熔点较高（约为1820 °C），在高温生长过程中极易分解挥发，导致氧化镓单晶在生长过程中不稳定，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，高温下氧化镓分解生成的 GaO、Ga等气体还会严重腐蚀铱金坩埚，因此生长大尺寸高质量的 β-GaO单晶非常困难。

氧化镓单晶的生长方法主要包括焰熔法、提拉法、光浮区法、导模法、布里奇曼法等，主流制备方法有提拉法和导模法，其中导模法最接近产业化。

导模法(Edge-defined film-fed growth method)又称为边缘限定薄膜供料生长法，于20世纪60年代由英国的HAROLD和苏联的STEPANOV 相继提出，该方法实际上是提拉法的一种变形，其生长晶体的原理与提拉法类似，是一种近尺寸成型生长晶体技术，能够直接从熔体中生长出所需形状的晶体毛坯，但其对模具的材料和设计要求较高。

导模法生长晶体的原理如下图所示，将内部留有毛细管狭缝的耐熔金属模具浸入单晶炉的熔体中，熔体通过毛细作用下被吸引到模具上表面，熔体在表面张力的作用下形成一层薄膜并向四周扩散，放下籽晶使其与熔体薄膜接触，控制模具顶部的温度梯度，使籽晶端面结晶出与籽晶相同结构的单晶，然后通过提拉机构不断向上提升籽晶，籽晶经过放肩和等径生长完成整个单晶的制备，模具顶部的外形和尺寸大小决定了导模法生长晶体的截面形状。

与提拉法相比，导模法的优点在于其可以实现定形/定向的晶体生长，晶体的截面形状和尺寸由模具顶部边缘的形状和尺寸决定，且晶体生长速度快，材料利用率高，生产成本低，便于实现晶体生长的产业化。导模法已在蓝宝石、单晶硅、闪烁晶体的制备中广泛使用，但导模法的缺点在于其对模具设备和工艺操作要求较复杂。

在导模法生长氧化镓单晶技术方面，目前日本走在国际的前列。近年来，日本田村株式会社的 KURAMATA 等对导模法生长氧化镓单晶技术进行了大量的研究，该公司采用导模法成功生长出6英寸高质量氧化镓单晶，并实现了2英寸氧化镓单晶的产业化，处于国际领先地位，如下图所示。

与第三代半导体衬底环节的对比

从上表可以看出：

1、 晶片尺寸

三种材料目前的尺寸基本相当，即单片衬底的芯片产出相差不大（GaO器件做成垂直器件相对会更小，此处差异忽略不计）。SiC已有8寸单晶衬底、GaN（自支撑）目前有4寸量产产品，6寸样品刚进入市场，未量产暂时未考虑。

2、设备投入：（晶体生长炉+坩埚+晶体加工设备）

GaO设备投入每条产线投入约350万，SiC设备投入每条产线550万，GaN设备投入每条产线800万。

3、生产效率

GaO每月可产出8炉，年产80炉，可产800片，边角料短期内还可切成10mm * 10mm的小片销售给科研单位研究用，每炉100片，年产8000片小片。SiC每月可产4炉，年产40炉，可产400片，不能按小片销售，且良率按30%算约为120片。GaN自支撑衬底产量更小。

外延及芯片加工阶段的对比

从表上可以看出：

SiC、GaN的外延生长设备成本就明显要高出GaO材料数倍，且因为外延时间较短，升温、降温的时间要远远大于实际外延生长时间，所以几种材料外延的速度差异并不明显，而且由于各家技术有差异，用途不同的外延也有些许差别，此处不做更深入的比较。目前各种材料的外延技术较为成熟，可以满足市场的需求。

芯片加工阶段，由于GaO、SiC可以使用垂直结构，所以同等规格下，芯片面积较小，为便于比较，暂时忽略这种优势，三种材料在功率芯片加工过程的成本差异不大。

综上可以看出，GaO器件最终成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有独特的竞争优势。

成本对比

根据Joule杂志2019年美国NREL（Strategic Energy Analysis Center at National Renewable Energy Laboratory国家可再生能源实验室-战略能源分析中心）发表的文章《How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?》中展示的衬底成本模型和技术改进效果预测，单片GaO的晶圆成本可由当前的283美金下降到195美金，大大低于SiC 成本（916美金）。

由于成本构成中超过60%是铱坩埚带来，若能找到优化坩埚损耗甚至替代铱坩埚的方法，将可以进一步大幅度降低GaO成本。

热导率和迁移率问题

GaO的低热导率、低迁移率问题可作为未来数年业界进行科研的主攻方向，突破这些问题将能够大幅度提高人们对GaO的应用预期，推动GaO的产业化进度，但其实这些参数并不会实际上影响当前GaO导入实际应用的价值。

热导率

半导体功率器件应用中所涉及到的热问题，要细分为三部分来分析：产热，耐热，散热。

1、 产热

功率器件主要有驱动损耗、开关损耗和导通损耗三个部分带来损耗，损耗越低，效率就越高，而决定这几种损耗的关键指标就分别是Qg、Coss和Ron，所以降低损耗的关键是降低这几个指标。

Ron，即On-resistance导通电阻，主要是与材料的特性决定。业界看好。Ga2O3、SiC、GaN在功率领域的应用前景，也因为这几种材料的Ron极低，可以大幅度降低导通损耗。SiC的导通电阻是Si产品的1/6，而GaO的导通电阻是SiC的1/6，在导通损耗方面具有很大优势。对于功率器件来说，Ron是一个关键指标，导通电阻越低，其损耗越小，产生的热量越少，从而有效控制温升。

2、 耐热

材料耐高温的特性进一步使得低热导率在应用中不会产生实质影响。

3、 散热

既然材料产热少，又耐热，那么对散热的要求就会降低，如果在封装环节也充分考虑到Die的散热，就可以进一步降低材料低热导率带来的影响。

迁移率

作为晶体管性能指标的沟道迁移率，需要达到实用化标准（200 cm2/V·s）才具有应用价值。半导体器件的迁移率简单分析，主要包含了体迁移率和沟道迁移率两个方面。其中体迁移率主要跟材料本身特性相关，沟道迁移率与器件结构相关。如果在射频方面应用，对迁移率要求很高，在这一点上，GaO的性能目前确实是不如GaN有优势的，GaN在射频方面的应用还会持续扩张。

氧化镓潜在应用方向

预计GaO的市场机会将会率先出现在市场门槛较低、成本敏感的消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域，并将在2025年至2030年开始全面渗透车载和电气设备领域。

1、 新能源车OBC/逆变器/充电桩

渗透率加大以及400V→800V升级。GaO有望以性能和成本优势取胜。

2、 DCDC：12V/5V→48V转换

电力电子领域，使用低于60V的电压不需要采取额外的安全防护措施，48V电池的充电电压最高56V，已经很接近60V，因此业界规定了48V电池电压是安全电压下的最高电压等级。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，一般所使用的功率器件要按照至少2倍系统供电电压算额定耐压值，即48V系统对耐压100~120V规格的器件产生了明确的需求。GaO、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，GaO可以发挥高可靠、高性能、低成本的优势在这一市场有所作为。

3、 IGBT的存量市场

当前在高压、高功率领域应用的功率器件以IGBT为主。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是20世纪80年代后期发展起来的，IGBT是功率MOSFET和BJT的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快；BJT的特点是通态压降小、载流能力大，所以IGBT集中了BJT和MOSFET的优点，具有很好的抗击穿性。但是由于IGBT的双极特性（电子和空穴均参与导电），使得该器件在关闭过程中存在较长的拖尾时间，极大的影响了该器件的工作频率，一般为低于20kHz，最高也不过40-50kHz，开通关断导致的损耗会比较大，这是其相对于MOSFET的明显劣势，加之IGBT的价格远高于MOSFET，所以低压、小功率的环境下MOSFET使用更为广泛，高压、大功率的情况下IGBT更为适用。

目前第三代半导体的火爆，就是因为新的材料体系可以在高压、大功率情况下采用单极器件，即使用SiC MOSFET、GaN HEMT、GaO FET，取代硅基的IGBT，除了产品可靠性、电流能力、成本下降空间尚需要一定时间验证外，几乎全面实现了前面所提到功率器件发展的所有诉求。而大规模制造和应用会带来成本和售价的降低，从而继续巩固市场主流技术地位，这也是超/宽禁带半导体应用的前景。在单极器件刚刚导入上述市场的阶段，技术路线尚未定型，具备诸多优势的新材料将迎来崭新的机遇。

而GaO既能做高耐压，也可实现大电流能力，相较于当前SiC器件过流能力不超过200A的规格限制，可达到数百A甚至上千A，性能优秀且成本更低，在大功率应用（如电力）当中可直面挑战IGBT上千甚至数千A的霸主地位。

市场空间

日本氧化镓行业龙头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。

有更大胆地预测，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。

产业化现状

根据业内人士估计，2~3年时间进行工艺开发、器件设计、样品制造以及应用展示，1年市场接受，调整产线时间为1年，那么离达到SiC最初商业化的阶段差不多只需要5年时间。

目前国内GaO各个产业链环节非常薄弱，可用代工Foundry数量为零，外延企业和衬底企业已有几家，但规模很小且均尚未形成量产。中国台湾硅锭和硅片制造商和销售商 Atecom Technology 也经营氧化镓。在中国大陆，厦门博威先进材料（PAM-XIAMEN）正处于开发该技术的早期阶段。目前而言，美、日在这方面还是领先。

美国、日本、欧洲、韩国、台湾和中国正在开发氧化镓晶圆和器件。当美国政府对氧化镓的国家安全影响发出警告时，日本正在引领其商业化。其中，有三家公司作为氧化镓衬底、晶圆和器件的开发商和制造商脱颖而出，分别是美国的Kyma Technologies和日本的FLOSFIA和Novel Crystal Technology。

Kyma Technologies

Kyma Technologies 成立于 1998 年，是从北卡罗来纳州立大学分拆出来的，位于北卡罗来纳州的研究三角区，总部位于罗利。其业务专注于用于特种照明、激光二极管和电力电子的宽带隙半导体。

公司生产氮化镓、氮化铝、氧化镓等各类半导体衬底、外延片及器件、气相沉积等晶体生长系统，同时提供设计、制造等工程服务。值得注意的是，Kyma Technologies 于 2016 年将氧化镓添加到其产品线中。

图源：Twitter

Kyma Technologies公司的网站以一英寸氧化镓衬底、五种氮化镓和氮化铝晶圆产品以及氮化镓开关为特色。 其中，列出了美国、中国、欧洲、日本、韩国、中国台湾地区和其他地方的销售电子邮件地址。据了解，其股东包括风险投资基金以及美国国防部。

FOSFIA

FLOSFIA 成立于 2011 年，是京都大学的附属公司，专注于使用自己的雾化学气相沉积 (CVD) 技术制造的氧化镓半导体器件。它声称已经实现了世界上第一个大规模生产氧化镓功率器件，并生产了世界上效率最高（功耗最低）的氧化镓二极管（半导体开关）。

FLOSFIA 将其功率器件商业化后，现在计划开始向汽车行业大批量出货，并将生产外包给日本半导体制造商。

FLOSFIA 的股东包括京都大学创新资本、东京大学 Edge Capital 和其他投资基金以及兄弟工业（电子设备）、安川电机（电机和工业机器人）、三菱重工（电气和工业机械）、电装等日本私营企业 （汽车和工业零部件和设备，以及半导体；DENSO'S 隶属于丰田）和 Fujimi（用于生产半导体和其他电子设备的磨料和其他材料和设备）。

FLOSFIA 和 DENSO 目前正在合作开发“有望减少电动汽车 (EV) 中使用的逆变器的能量损失、成本、尺寸和重量的下一代功率半导体器件”，以“提高 EV 功率控制单元的效率” 。” 其他工业股东可能会为该产品找到自己的用途。

Novel Crystal Technology

Novel Crystal Technology 是从日本电子元件、化学品和设备制造商 Tamura Corporation 分拆出来的。田村声称在 2013 年生产了世界上第一个氧化镓晶体管，“为创新的下一代半导体功率器件的实际应用开辟了道路”。

但是第一个这样的晶体管是在前一年由日本国家信息和通信技术研究所 (NICT) 的研究员 Masataka Higashiwaki 开发的。2015年，他们与NICT合作成立Novel Crystal Technology。

Novel Crystal Technology 还与 Taiyo Nippon Sanso、东京农业科技大学和日本新能源与工业技术组织 (NEDO) 合作。NICT是NEDO实施的“中小企业振兴事业”中的“桥梁研究所”。2021 年 12 月，经过四年的努力，NEDO 和 Novel Crystal Technology 宣布开发氧化镓二极管，在他们看来，该产品将带来更低价格和更高性能的电力电子设备，并实现更高效和小型化的电力电子设备，例如用于光伏发电、工业用通用逆变器和电源。

据了解，Novel Crystal Technology计划在 2023 年下半年外包制造并开始销售。Novel Crystal Technology在其网站上展示了用于研发目的的 2 英寸氧化镓晶圆，并在电话采访中提到了 4 英寸晶圆。这些产品销往日本、美国、欧洲、韩国和中国的客户，其中约30%销往国内市场，其余70%销往海外。

用于研发的 2 英寸氧化镓晶片。图源：Novel Crystal

Novel Crystal Technology的股东包括日本公司AGC（玻璃）、Hazama Ando（建筑）、JX Nippon Mining & Metals、ROHM（半导体，包括功率器件）、Shindengen（功率半导体及相关设备）、Torex Semiconductor、Yaskawa Electric、Iwatani Venture资本和田村。

JX Nippon Mining & Metals Corporation 正在投资 Novel Crystal Technology，作为其扩大有助于脱碳的新材料业务的长期计划的一部分。两家公司共同开发氧化镓功率器件的原材料。

Taiyo Nippon Sanso 是日本工业气体及相关工厂和设备的生产商。其新的战略业务包括用于化合物半导体制造、碳纳米管和生物技术的金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 系统。它与NEDO和Novel Crystal合作开发氧化镓外延片的量产系统。

总结

SiC 和 GaN 是当今广泛使用的宽带隙半导体。超宽带隙半导体的带隙大于 GaN。除了氧化镓，它们还包括氮化铝和金刚石。虽然不是在所有方面都优越，但氧化镓的优点是制造起来相对容易并且可能更便宜。它应该在未来几年内进军电力设备市场，一旦实现规模经济，最终可能会对电动汽车做出重大贡献。

来源：半导体材料与工艺设备