重磅！国内首个！6英寸氧化镓单晶成功制备

近日，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。

氧化镓是新型超宽禁带半导体材料，拥有优异的物理化学特性，在微电子与光电子领域均拥有广阔的应用前景。但因具有高熔点、高温分解以及易开裂等特性，因此，大尺寸氧化镓单晶制备极为困难。

中国电科46所氧化镓团队聚焦多晶面、大尺寸、高掺杂、低缺陷等方向，从大尺寸氧化镓热场设计出发，成功构建了适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构，突破了6英寸氧化镓单晶生长技术，具有良好的结晶性能，可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制，将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。

近年来，中国电科围绕国家战略需求，在氧化镓、氮化铝、金刚石等超宽禁带半导体材料领域砥砺深耕并取得重大突破和标志性成果，有力支撑了我国超宽禁带半导体材料的发展。

氧化镓打开芯片大战新篇章

在针对中国的最新举措中，美国政府对最初在日本开发的下一代半导体材料实施了出口管制。

8 月 12 日，美国商务部工业和安全局 (BIS)发布了一项裁决，将氧化镓半导体基板确定为对美国的国家安全“新兴和基础”技术“必不可少”。”

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。”

功率半导体通过将电能从交流电转换为直流电并将电压调整到适当的水平来提供和控制用于运行电机和为电池充电的电力。今天使用的大多数是由硅、碳化硅和氮化镓制成的。氧化镓现在才从研发转向最初的商业应用。

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。

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。让我们深入了解这些早期领导者。

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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。它于 2016 年将氧化镓添加到其产品线中。

Kyma Technologies 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。它列出了美国、中国、欧洲、日本、韩国、台湾和其他地方的销售电子邮件地址。

其股东包括风险投资基金以及美国国防部。

FLOSFIA

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。

它计划在 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。

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。

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。就目前而言，两者似乎都不是对日本或美国人的竞争威胁。

通常，日本人在氧化镓的开发中带来了压倒性的公共和私人资源，并可能最大限度地利用其工业潜力。即使在没有美国正式出口管制的情况下，他们也极不可能向中国提供技术机密。

日本努力的规模似乎使 Kyma Technologies 处于劣势，但其技术具有可比性，它应该受益于政府支持的美国科技产业复兴。如果有任何参与者应该担心被甩在后面，那就是中国人——这当然是商务部出口管制的重点。

毫无疑问，我们将再次收到 Kyma Technologies 的消息，即使他们与美国军方的合作仍处于保密状态；日本军方可能用氧化镓做什么是另一个问题。但是查看 Kyma Technologies 网站上的常见问题解答页面，我们可以看到：

问：“为什么氧化镓受到如此多的关注？”

答：“氧化镓，尤其是 β 型 [β-Ga2O3]，是一种令人兴奋的超宽带隙半导体 (UWBGS) 材料，因为它具有诱人的物理特性组合，这些特性共同转化为非常高的品质因数 [a 数值表示性能或效率的表达式] 用于许多高速电子和电力电子应用。”

氧化镓的 β 形式 (β-Ga2O3) 的带隙为 4.5 eV，Kyma、FLOSFIA 和 Novel Crystal 主要使用它。相比之下，硅 (Si) 的带隙为 1.1eV，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 的“宽”带隙分别为 3.3eV 和 3.4eV。

带隙越高，功率器件的效率越高。如电子设计的电源管理系列中所述：

“宽带隙 (WBG) 半导体材料允许更小、更快、更可靠的电力电子元件，并且比硅基材料具有更高的效率。这些功能使得在广泛的电力应用中减少重量、体积和生命周期成本成为可能。利用这些功能可以显着节省工业加工和消费电器的能源，加速电动汽车和燃料电池的广泛使用，并帮助将可再生能源整合到电网中。”

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。

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