在寬禁帶半導體迅猛發(fā)展勢頭的影響下，超禁帶半導體也悄然入局。氧化鎵（Ga2O3）作為第四代半導體的代表，不僅在實驗室中取得越來越多研發(fā)進展，其量產、商業(yè)化腳步也在不斷推進。日本分析機構矢野研究所發(fā)布寬禁帶半導體全球市場研究結果，氧化鎵比碳化硅器件具有更高的成本和性能潛力，參與者的數量正在增加?；蛟S不久之后，氧化鎵就會加入與碳化硅和氮化鎵競技的商業(yè)市場當中。

高效節(jié)能 材料優(yōu)勢顯著

隨著科技的快速發(fā)展，半導體技術在各種電子設備中發(fā)揮著至關重要的作用。氧化鎵備受關注，被視為新一代寬禁帶半導體的候選者。資料顯示，相對于碳化硅，氧化鎵具備超寬禁帶寬度（4.2~4.9eV）、高相對介電系數、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、較短的吸收截至邊界及超強的透明導電性等優(yōu)異的物理性能。此外，氧化鎵的化學和熱穩(wěn)定性也很好，能夠在惡劣環(huán)境或者高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定性。同時能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質量、可摻雜的塊狀單晶。

具體而言，氧化鎵是一種多變的半導體材料，它有六種不同的晶相，其中最穩(wěn)定的是β相。β相氧化鎵可以通過熔融法生長出大尺寸的單晶襯底，這對于制作高性能的功率器件是非常有利的。氧化鎵的高壓高功率特性是一大優(yōu)勢，其擊穿場強是SiC的3倍，Si的26倍，這意味著它可以承受更高的電壓而不被擊穿。信息、能源、航空航天等領域，對于能夠承受高電壓的功率器件有著巨大的需求。氧化鎵還具有低損耗的優(yōu)勢，它的損耗是SiC的1/7，這意味著它可以節(jié)省更多的能源。從實驗數據可以看出，氧化鎵SBD的損耗在同等電壓下，只有SiC的1/7，只有Si的1/49。作為一種高效節(jié)能的半導體材料，具有顯著的優(yōu)勢。

這些優(yōu)良的材料特性吸引了眾多學者和企業(yè)的目光，成為研究的熱點。中國科學院院士郝躍曾表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。

商業(yè)化臨近 相關研發(fā)密集開展

正因為氧化鎵優(yōu)越的材料性能，不僅使其成為目前半導體領域研究的熱點，相關業(yè)者也在不斷推進其量產和商業(yè)化進程。據報道，日本兩家領先的氧化鎵公司Novel Crystal和Flosfia自2012年開始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項關鍵技術，包括2英寸氧化鎵晶體與外延技術，以及氧化鎵材料的量產等。其中，Novel Crystal公司已實現(xiàn)2 英寸、4英寸的襯底及外延的批量化供應，2022年7月宣布計劃 2025 年每年生產2萬片4英寸晶圓。Flosfia公司采用噴霧化學氣相沉積法已成功制備具有全球最小導通電阻的肖特基二極管，已在日本電裝上試用。

這些進展顯示出我國在氧化鎵材料制備方面的實力正在逐步增強，同時也推動了氧化鎵材料在半導體領域的應用研究。一些半導體公司、研究機構和政府部門已經開始在氧化鎵領域進行合作和投資，以加速其商業(yè)化進程。

目標市場多元 2030年或超12億美元

根據富士經濟對寬禁帶功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將達到1542億日元（約合12.2億美元），這個市場規(guī)模比氮化鎵功率元件的規(guī)模（約合8.6億美元）還要大?？梢钥闯?，氧化鎵對市場需求產生的帶動作用。

氮化鎵適用于1000V以下的中低壓的市場，碳化硅適用于650V以上的中高壓市場。氧化鎵作為一種新型超寬禁帶半導體材料，雖然還在研發(fā)過程中，但依其材料性能，非常適合開發(fā)小型化、高效的、耐熱性優(yōu)良的超大功率晶體管。目前業(yè)內對于氧化鎵的普遍期待也是應用在功率器件上，尤其是大功率應用場景。

日本在氧化鎵研發(fā)和產業(yè)化方面處于領先地位，Novel Crystal和Flosfia將“空調、冰箱和洗衣機”等對能效等級高度敏感，且市場門檻相對偏低的白色家電作為首先要滲透的應用市場。Flosfia預計，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達到15.42億美元，達到碳化硅的40%，氮化鎵的1.56倍。

氧化鎵器件在光電子領域同樣具備優(yōu)勢。氧化鎵日盲紫外器件是一種利用氧化鎵材料的超寬禁帶特性，可實現(xiàn)對250-300 nm波段紫外光的高靈敏度探測的器件。由于氧化鎵材料對可見光和近紅外光幾乎不吸收，氧化鎵日盲紫外器件可以直接在陽光下工作，無需額外的光譜過濾光窗，從而降低了成本和復雜度，具有很高的響應度和探測率，可以在極端環(huán)境下保持較高的探測性能等。因此，氧化鎵日盲紫外器件可以用于電網安全監(jiān)測、森林火災監(jiān)測、港口導航和海上搜救、環(huán)境與生化監(jiān)測等領域。

此外，氧化鎵器件還可以作為高頻射頻器件、能源轉換和儲能、半導體激光器等領域使用，應用于毫米波通信、射頻功率放大器、太陽能電池和其他能源轉換、激光雷達、光通信等，應用前景十分廣闊。

下一步發(fā)力方向，降成本擴應用

雖然目前各大企業(yè)、高校和研究所都對氧化鎵的性能寄予厚望，但距離真正大規(guī)模應用還需要解決很多關鍵的瓶頸問題。目前遇到的障礙主要有兩方面，一是大尺寸高質量單晶的制作。二是氧化鎵材料大功率、高效率電子器件還處于實驗室階段的研發(fā)。對此，有專家指出，大尺寸低缺陷氧化鎵單晶的制備方法以及高表面質量氧化鎵晶片的超精密加工技術是實現(xiàn)氧化鎵半導體器件工業(yè)應用的主要瓶頸。雖然氧化鎵應用前景已經被多領域廣泛看好，但未來氧化鎵材料需要在高質量、低缺陷、大尺寸單晶方面的生產技術進行突破，并在電子器件的商業(yè)化、大規(guī)模應用上發(fā)力。

此外，導熱性能較差也是氧化鎵材料的短板。因此，許多單位開展將轉移晶圓級氧化鎵薄膜于高導熱襯底的研究，如轉移到高導熱率碳化硅和碳基襯底上異質集成制備氧化鎵MOSFET器件，近日也出現(xiàn)了將氧化鎵與金剛石進行鍵合的消息。美國弗吉尼亞理工大學通過雙面銀燒結的封裝方式解決散熱問題，能夠導走肖特基結處產生的熱量，在結處的熱阻為0.5K/W，底處1.43，瞬態(tài)時可以通過高達70A的浪涌電流。中國科學院半導體研究所研究員閆建昌表示，散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個弊端的話，去充分發(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢，是值得關注的發(fā)展方向。氧化鎵在器件和產業(yè)發(fā)展上還有很大的空間，發(fā)展的基礎取決于材料本身和材料制備水平，要實現(xiàn)更低的缺陷密度，把材料的優(yōu)勢和潛力充分發(fā)掘出來，這是未來超寬禁帶技術和產業(yè)發(fā)展的基礎。

作為一種寬能隙半導體材料，氧化鎵潛在優(yōu)勢依然明顯，特別是在高功率、高溫和高頻應用中。在未來10年，氧化鎵器件有可能成為直接與碳化硅競爭的電力電子器件，關鍵的突破取決于成本的快速降低和大規(guī)模應用的展開。

來源：愛集微