氧化镓 ——第四代半导体材料风起 

　　文／袁素 

　　在第三代半导体材料——碳化硅方兴未艾之际，第四代半导体材料——氧化镓成为资本追逐的新风口。 

　　4月4日，镓仁半导体公司宣布，完成数千万元天使轮融资。这是一家专注于氧化镓等超宽禁带半导体单晶衬底（以下简称“衬底”）及半导体外延（以下简称“外延”）材料研发、生产和销售的科技型企业。4月14日，进化半导体公司宣布，完成近亿元人民币融资。该公司的主营业务是以无铱工艺制备半导体衬底材料氧化镓。 

　　2022年年初，科技部将氧化镓列入“‘十四五’重点研发计划”，设立了《大尺寸氧化镓半导体材料与高性能器件研究》专项。 

　　2022年8月，美国商务部产业安全局（BIS）对第四代半导体材料氧化镓和金刚石实施出口管制，认为氧化镓的耐高压特性在军事领域的应用对美国国家安全至关重要。氧化镓在全球科研领域、产业界、投资界引起了更为广泛的重视，并引发了风险投资的追逐。 

　　中国科学院院士郝跃公开表示，氧化镓是最有可能在未来大放异彩的材料之一，未来10年，氧化镓器件有可能成为最具竞争力的电力电子器件，直接与碳化硅器件展开竞争。 

　　从应用方向上看，氧化镓材料主要应用在辐射探测传感器芯片、高功率和超大功率芯片，其终端应用领域包括配电系统中的高压整流器、电动汽车和光伏系统等。 

　　电力应用颇具潜力 

　　目前，半导体材料已然发展到第四代。 

　　第一代半导体材料主要是硅、锗；第二代半导体材料主要是砷化镓、磷化铟；第三代半导体材料主要是碳化硅、氮化镓；第四代半导体材料主要是氧化镓、金刚石、氮化铝等超宽禁带半导体材料，以及锑化镓、锑化铟等超窄禁带半导体材料。 

　　第四代半导体材料在应用方面与第三代半导体材料有交叠，在功率器件领域有更突出的应用优势。功率器件一般在电网、发电、交通和工业用电等领域有着广泛应用。由于氧化镓有望最先得到应用，所以成为第四代半导体中最受关注的方向。 

　　氧化镓是一种透明的无机化合物，别名三氧化二镓。它并不是一种新发现的材料，关于氧化镓的研究已有近70年历史。1952年，科学家们就发现了它的5种变体。过去，氧化镓主要用于发光二极管和基板等，最近十年，研究人员发现，氧化镓还有更优秀的特性，即能承受巨大的电压而不被击穿，作为一种宽禁带的功率半导体材料非常合适。 

　　2012年，日本国家信息与通信技术研究所（NICT）使用β-氧化镓制造了开关器件金属半导体场效应晶体管。这种晶体管在探测距离仅有600纳米的情况下，可以承受近200伏的高电压而不被击穿。这是世界上第一个氧化镓功率器件，整个半导体界为之轰动。 

　　作为一种透明的超宽禁带氧化物半导体材料，氧化镓的禁带宽度约为4.8电子伏特，远高于第三代半导体材料碳化硅的3.25电子伏特和氮化镓的3.4电子伏特，是硅的禁带宽度（1.1电子伏特）的4.5倍。超宽禁带确保了氧化镓的抗辐照和抗高温能力，其可以在超低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质。 

　　与第三代半导体材料相比，氧化镓的击穿电场强度高达8兆伏/厘米，是氮化镓的2.5倍、碳化硅的3倍多。高击穿场强的特性确保了氧化镓器件可以在超高电压下使用，有利于提高电流载体载流子的收集效率。 

　　产业化尚需过三关 

　　根据国内专注新材料的投资机构沃衍资本的研究，氧化镓是宽禁带半导体中唯一能够采用液相熔体法生长的材料，并且硬度较低，材料生长和加工的成本均比碳化硅有优势，氧化镓将全面挑战第三代半导体的代表——碳化硅。 

　　具体而言，氧化镓比碳化硅更耐高温、高压，支持更大功率，同时能耗更低、抗辐照更强。氧化镓器件的功率损耗是碳化硅的1/7、硅基器件的1/49。此外，氧化镓的晶体品质好，其生长速度是碳化硅的100倍。 

　　未来，氧化镓的市场应用主要集中在光电探测器、功率和射频三个场景，其中功率器件应用广泛，市场空间很大。 

　　长期来看，氧化镓功率器件覆盖650伏/1200伏/1700伏/3300伏，预计2025～2030年将全面渗透车载和电气设备领域，未来也将在超高压的氧化镓专属市场发挥优势，如高压电源真空管等应用领域。 

　　短期来说，预计氧化镓功率器件将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域。 

　　尽管氧化镓具备如此多的优势，但是其产业化依然面临诸多挑战。 

　　分析人士指出，氧化镓产业化需要具备材料成本低、产业链发展完善、实现示范性应用三个条件。 

　　在性能上，北京铭镓半导体公司创始人陈政委认为，氧化镓的导热系数不高，存在器件稳定性的问题。也有分析指出，氧化镓很有可能是目前导热能力最差的半导体材料之一，其热导率只有金刚石的1/60、碳化硅的1/10，约为硅的1/5，过低的导热率可能会导致器件长期处于高热的工作环境之中，这将会对设备的使用寿命发起挑战。 

　　氧化镓产业化的挑战之二，是其本征材料为N型材料，用来掺杂的P型氧化镓材料目前缺失。祥峰资本董事任刚分析，业界唯恐器件开发受到材料限制成为一条“断头路”，所以尽管当前氧化镓肖特基二极管已可实现量产，业界仍对氧化镓的未来产生怀疑。 

　　任刚认为，第三个挑战是氧化镓衬底及外延成本高昂，大规模商业化难度较大。目前氧化镓衬底市场被日本的NCT公司所垄断，虽然该公司已能提供2～4英寸产品，但是定价极为昂贵，仅10毫米×15毫米的小尺寸衬底售价就高达6000～8000元，做上外延更是高达2万～10万元。这让下游客户的技术和产品开发受到极大限制。 

　　有业界人士表示，氧化镓器件一旦量产，或将迅速抢占新能源汽车的车载逆变器、充电机等市场以及白色家电市场。 

　　资本纷纷下注 

　　与第三代半导体碳化硅的应用分布类似，氧化镓的应用价值主要体现在衬底，而外延、器件环节占比相对较小。 

　　从全球竞争格局来看，日本、美国和中国三国全球领先。其中，日本在衬底—外延—器件等方面的研发全球领先，有望在2023年推出氧化镓量产器件。 

　　最具代表性的公司是日本的创业公司Novel Crystal Technology（以下简称“NCT”）。2021年6月16日，NCT在全球首次成功量产了4英寸的氧化镓晶圆。2022年3月，其又使用氢化物气相外延的方法在 6 英寸晶圆上成功外延沉积氧化镓。NCT表示，将积极推进在纯电动汽车上的功率半导体采用氧化镓芯片，以替换硅基/碳化硅基芯片，其目标是在2025年每年生产2万片100毫米（4英寸）晶圆。 

　　相比日本，美国在器件领域发展较早，各种创新的结构和工艺极大地推动了氧化镓器件的进步，包括美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局等多家国防机构都在与当地高校合作开发氧化镓器件。 

　　我国在第三代半导体领域也起步较早。目前，我国的氧化镓衬底能够小批量供应，主要为2～4英寸材料，外延、器件环节产业化进程几乎为零，研发主力军和突出成果都在高校和科研院所当中。 

　　具体来说，国内氧化镓材料的研究以山东大学、中国电科四十六所、中科院上海光机所等科研机构，以及北京铭镓半导体、杭州富加镓业、杭州镓仁、厦门博威先进材料、深圳进化半导体、康鹏半导体、同溧晶体等7家创业公司为主；外延研究以中国电科四十六所、中国科学技术大学、南京大学等单位为主；器件研究以西安电子科技大学、中国电科十三所、中国科学技术大学、南京大学、中山大学等单位为主。 

　　国内这7家氧化镓材料公司都已完成至少一轮的风险投融资，有一半以上的公司完成了两轮融资。 

　　由此可见，资本市场非常看好氧化镓的市场前景。根据市场调查公司中联富士经济的预测，2030年全球氧化镓功率器件的市场规模将会达到12.2亿美元，这比第三代半导体氮化镓功率器件的规模（约8.6亿美元）还要大。