【芯版图】第四代半导体发展“渐入佳境”？我国氧化镓领域研究“突破”频现

集微网消息，半导体材料的发展有利于改善半导体器件和芯片设计性能的极限，为了满足日益增加和多元的需求，半导体材料从以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体，逐渐发展到如今的以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体以及以氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）、金刚石（C）、锑化物（GaSb、InSb）为代表的超窄禁带（UNBG）半导体材料的第四代半导体。

相比其他半导体材料，第四代半导体材料拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势，可以在苛刻的环境条件下，能够更好地运用在光电器件、电力电子器件中，在功率器件和射频器件领域大放异彩。在第四代半导体材料中，氧化镓(Ga2O3)研究进展备受瞩目。

“潜力”可期，日美韩研发势力争相布局氧化镓材料

对于氮化镓和碳化硅，我们可能已经比较熟悉，同为宽禁带半导体的氧化镓则是更加新兴的领域。从功率半导体特性来看，与前代半导体材料相比，氧化镓材料具备更高的击穿电场强度与更低的导通电阻，从而能量损耗更低，功率转换效率更高。相关统计数据显示，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3。

中国科学院院士郝跃此前接受媒体采访时曾指出，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来的10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。

日本氧化镓领域知名企业FLOSFIA预计，2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年达到15.42亿美元（约合人民币100亿元），达到碳化硅的40%，达到氮化镓的1.56倍。

虽然目前还处于研发阶段，氧化镓领域已经吸引了世界研发势力的广泛关注。

在2022年4月，韩国30家半导体企业、大学以及研究所组建了碳化硅产业联盟，目的是为了应对急速增长的碳化硅、氮化镓、氧化镓等宽禁带半导体所引领的新型功率半导体市场。FLOSFIA和JSR于2023年3月宣布，他们共同开发了一种新型铱基沉积材料，作为大规模生产氧化铱镓（α-（IrGa）2O3）的解决方案。这是FLOSFIA开发的世界上第一个P型功率半导体，与刚玉型氧化镓（alpha-Ga2O3）结合使用。使用这种材料可以在工业应用中进行大规模生产，也可以表现出P型特性，这是氧化铱镓的最重要特性。

透过近年氧化镓功率半导体元件相关专利申请情况可以看出，中国在氧化镓功率半导体元件相关专利申请方面突出。

日前，韩国举办的“氧化镓功率半导体技术路线图研讨会”上公布了氧化镓专利申请情况。据韩媒The Elec报道，根据AnA Patent对韩国、中国、美国、欧洲、日本等6个主要PCT国家/地区所持有的氧化镓功率半导体元件有效专利分析，截至2021年9月共有1011件专利，其中，中国拥有328件，日本拥有专利313件，两国专利数量占总数的50%以上。2021年9月至2022年11月新增的460件专利中，大部分来自中国（240 件）和日本（87件）。

氧化镓想要获得产业发展，需要具备至少3个要素：一是材料成本降低，足以用于产业；二是衬底、外延、器件产业链发展完善；三是出现示范性应用。

从整体产业发展的角度来看，日本在衬底-外延-器件等方面的研发全球领先，因此有业内人士认为，真正杀手级的应用，最早可能出现在日本。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。

我国氧化镓领域的研发主力军和突出成果主要在高校和科研院所当中。随着近几年氧化镓的潜力逐渐被发掘，我国在衬底和外延方面不断进步，器件相关成果也达到了国际水平，加上产学研合作和产业政策助推，一些高校、科研机构的成果也正在通过企业加速产业化。

“突破”频现，我国在氧化镓研究方面取得一系列进展

我国开展氧化镓研究已经十余年，本土研发势力不断突破并崭露头角。从公开资料能了解到目前从事氧化镓材料和器件研究的单位和企业，主要有中国电科46所、西安电子科技大学、西安邮电大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、山东大学等高校及科研院所，有北京镓族科技、北京铭镓半导体、杭州富加镓业等科技成果转化的公司。

近期，我国在氧化镓研究方面取得了一系列新进展，这表明我国在第四代半导体领域的技术水平不断提高，在产业和科研方面，未来有望取得更多突破。从2英寸和4英寸，到6英寸，再到最新的8英寸，氧化镓制备技术正愈发走向成熟。

（1）中国电科46所

今年2月，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到目前国际上尺寸最大的氧化镓单晶衬底水平，将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。据悉，中国电科46所分别于2016年和2018年相继制备出了国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶和4英寸氧化镓单晶。

（2）西安邮电大学新型半导体器件与材料重点实验室

今年3月报道，近日，西安邮电大学电子工程学院管理的新型半导体器件与材料重点实验室陈海峰教授团队成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片。新型半导体器件与材料重点实验室聘请中国科学院院士、微电子学与固体电子学家郝跃院士为首席科学家，团队师生共30余人，拥有完整的氧化镓工艺实验线及超净工艺间，主要研究超宽禁带氧化镓材料与器件。

（3）中国科学技术大学微电子学院

近日，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展，分别采用氧气氛围退火和N离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。

（4）北京铭镓半导体有限公司

2022年12月，铭镓半导体实现了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，成为国内首批掌握第四代半导体4英寸氧化镓单晶衬底生长技术公司之一。目前，铭镓半导体已研制并生产出高质量、大尺寸氧化镓单晶片与外延片、大尺寸蓝宝石窗口材料、磷化铟多晶及单晶衬底、高灵敏日盲紫外探测传感器件、高灵敏光电型局部放电检测系统等产品。

据介绍，2023年底完成扩产计划后，铭镓半导体将建成国内首条集晶体生长、晶体加工、薄膜外延、性能测试于一体的氧化镓完整产业线，成为年产千片以上规模的氧化镓材料企业，满足下游100多家器件设计、制造封装工业企业与科研院所的材料供应需求。

（5）其他企业进展

新湖中宝投资的杭州富加镓业专注于第四代半导体材料宽禁带半导体氧化镓材料的研发，目前已经初步建立了氧化镓单晶材料设计、热场模拟仿真、单晶生长、晶圆加工等全链路研发能力，现已推出2英寸及以下规格的氧化镓UID（非故意掺杂）、导电型及绝缘型产品。而南大光电作为全球主要的MO源供应商，3月17日在投资者互动平台表示，部分MO源产品可以用于制备氧化镓。（校对/刘沁宇）