半导体材料氧化镓的优势与发展进程

近年来，Gan、SiC等第三代半导体设备的商业化进展良好。就在第三代半导体在商业化道路上取得进步的时候，第四代半导体材料也取得了很大的进步。与硅基和第三代半导体材料相比，超宽禁带材料具有优势。与第三代半导体材料相比，第四代半导体材料在耐压性和频率性能方面有了一些新的提高。

近年来，Gan、SiC等第三代半导体设备的商业化进展良好。Gan设备开始大规模应用于快速充电，SiC设备也出现在汽车上。现在我们对第三代半导体设备的前景非常乐观，许多企业也进入了第三代半导体行业。

就在第三代半导体在商业化道路上取得进步的时候，第四代半导体材料也取得了很大的进步。不久前，北京邮电大学电子工程学院执行院长张杰教授在与2021年第十六届中国核心集成电路产业促进大会同时举行的宽禁带半导体助碳中和发展峰会上分享了《超宽禁带半导体氧化镓材料及器件研究报告》。

他在报告中说，氧化镓是第四代半导体材料B32-1630，受到国际广泛关注和认可，是日盲光电器件的最佳材料。他介绍了氧化镓材料的优点、发展过程和北邮在氧化镓材料研究方面的成果。

氧化镓材料的优点

后摩尔时代，具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出，将提高效率、密度、尺寸、重量和总成本。超宽禁带的宽度决定了耐压值、损耗、功率、频率和使用。与硅基和第三代半导体材料相比，超宽禁带材料具有优势。

第四代半导体的典型材料有氧化镓、金刚石等。据张杰教授介绍，北欧长期研究氧化镓材料。氧化镓半导体材料是下一代超宽禁带的代表性材料，在世界上得到广泛关注和认可。

目前，第四代半导体材料的研发已进入国际研究视野。与第三代半导体材料相比，第四代半导体材料在耐压性和频率性能方面有了一些新的提高。此外，根据国际知名出版集团每年对相关研究主题的学术统计，氧化镓研究已进入科瑞维安2021年前沿物理研究，并在研究中得到推广。

在张杰教授看来，氧化镓材料将在未来电力电子设备的应用中发挥非常重要的作用，因为氧化镓可以将导电阻降低7倍，损耗降低86%，满足电力半导体设备的高电压，导电密度高，导电压降低，开关时间短，损耗低，非常适合电力电子设备的应用。

此外，氧化镓材料的性能也非常强大。带间隙宽度为4.9ev，击穿场强度为8mv/cm，Baliga优值为3214，导电阻也很低。更重要的是，一旦批量生产，氧化镓的成本仅为第三代半导体材料平均成本的1/3，具有更多的成本优势。

另一种氧化镓材料的应用是利用其超宽禁带属性制造的光电子设备。也就是说，它主要用于日盲光电设备，即紫外线区域、波长和禁止带宽。由于日盲紫外线技术在红外紫外线双色制导、导弹识别跟踪、舰载通信等国防领域具有重要的战略意义。当然，除国防外，该技术在电网安全监测、医学成像、海上搜索、环境和生化检测等民生领域也有非常重要的应用。

氧化镓的发展进展

与氮化镓、碳化硅等第三代半导体材料相比，氧化镓材料的研究水平相对落后。目前，氧化镓材料主要处于试验研究和小批量商业供应阶段。但它的前景仍然很好。首先，其元素储量相对丰富，性能、能耗和未来产量都很好。目前，其工业化相对容易。

日本最早开始研究氧化镓材料。2011年，它开始大力发展与氧化镓相关的技术研究。目前，日本的商业化水平也是最好的。2018年，美国也开始研究氧化镓材料。中国也越来越重视材料。在十四五规划中，第三代半导体材料是发展的重点，超宽禁带半导体材料被纳入科技规划的战略研究布局。2018年，中国还启动了超宽禁带半导体材料的探索和研究，包括氧化镓、金刚石和氮化硼。目前，日本在氧化镓研究方面处于领先地位。日本田村是世界上第一家开发氧化镓单晶的公司，并开发了UVLED和紫外探测器。张杰教授说，世界上只有田村有氧化镓单晶衬底供研究。此外，根据公共数据，田村在2017年日本高科技博览会上推出了氧化镓功率装置。

至于氧化镓材料的工业化进展，首先需要制作材料衬底和单晶生产。目前，氧化镓的单晶制备方法包括浮区法（FZ）、导模法（EFG）、提拉法（CZ）和垂直布里奇曼法（VB）。单晶制备的研究已经在世界上开始，但它们都是小规模的试验应用。现在有两条流行的路线，即导模法和提拉法。根据近年来的实践，我们认识到导模法的成品率，可以满足业务要求。大多数公司都使用这条技术路线来制造单晶。该技术用于田村商业供应的2英寸氧化镓单晶。2016年，田村还生产了6英寸单晶，但尚未实现批量供应。中国不同的大学和机构也在开展相关研究工作。2019年底，北邮成功实现了3英寸单晶导模生长。

制备单晶的最终目的是生产各种设备，在设备方面取得了一些进展。氧化镓材料生产的功率设备将具有更高的耐压值，可以超过碳化硅和氮化镓的物理极限。最后，张杰教授还介绍了北邮在氧化镓材料和设备研究方面的进展。据他介绍，北邮有一个国家信息光子学和光通信重点实验室，其中一个研究团队专注于氧化镓材料和设备的研究。负责人是唐伟华教授。他在氧化镓领域工作了11年，专注于解决材料的高腐蚀性、高挥发性和易理、多相共生等材料生长技术困难，以满足单晶材料的良好均匀性。张杰教授说，该团队不仅研究了氧化镓材料和设备，而且还研究了氧化镓单晶材料的制备设备。目前，在设备方面，制造了氧化镓基日盲紫外探测器和阵列成像设备；还制造了氧化镓基肖特基二极管，在未来两三年内实现了2毫欧。

结语

目前，氧化镓材料可能不是主流市场的商业材料，但从目前的研究来看，氧化镓材料在大功率、高效电子设备、实验室中，表现出一些很好的性能，所以未来在大规模应用中，氧化镓可能有良好的应用前景，但在此之前，有很多问题需要解决。