然而，在寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展勢(shì)如破竹的同時(shí)，學(xué)術(shù)界和科研界不約而同地展望下一代半導(dǎo)體材料——氧化鎵（Ga₂O₃），并將其視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導(dǎo)體材料的代表。目前，各國的半導(dǎo)體企業(yè)都爭(zhēng)先恐后布局氧化鎵，氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。IPAesmc

性能優(yōu)越的氧化鎵

氧化鎵是一種超寬禁帶材料，超越了目前已經(jīng)商用器件的禁帶寬度，達(dá)到了4.2電子伏特以上，也有人稱之為第四代半導(dǎo)體材料。IPAesmc

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表1橫向?qū)Ρ攘烁鞣N半導(dǎo)體材料的性能數(shù)據(jù)，可以看出，氧化鎵擁有超寬帶隙（4.2-4.9eV）、超高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（8MV/cm）、超強(qiáng)透明導(dǎo)電性等優(yōu)異物理性能，它的各項(xiàng)性能指標(biāo)較硅、碳化硅以及氮化鎵有著顯著的優(yōu)勢(shì)，和金剛石相比性能稍差，但是目前金剛石的制備特別困難，距離器件應(yīng)用還需要不少投入。IPAesmc

最后兩項(xiàng)數(shù)據(jù)中，BFOM是衡量器件的高功率性能，JFOM是衡量射頻性能，因此氧化鎵從材料本質(zhì)來說，是適合于高功率以及高頻應(yīng)用的，例如可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。IPAesmc

目前已發(fā)現(xiàn)的氧化鎵擁有5種同質(zhì)異形體，材料性質(zhì)各有千秋。目前研究比較多的是β相（熱穩(wěn)定性最佳，禁帶寬度~4.8eV），而α相（高禁帶寬度~5.3eV）和ε相（極化率十倍于氮化鎵，適合于高電子遷移率晶體管）方面的研究也逐漸增加。所以從材料屬性來說，氧化鎵是一種很有希望的超寬禁帶材料。IPAesmc

氧化鎵的優(yōu)勢(shì)不僅是材料性能高，更重要的是成本較低。2019年有研究結(jié)論提出，氧化鎵的制造成本較硅略有提高，和碳化硅相比僅有它的三分之一。當(dāng)然這一點(diǎn)目前還做不到，因?yàn)槟壳把趸壘A的研究和生產(chǎn)仍然處于早期階段。IPAesmc

多國爭(zhēng)搶15億美元市場(chǎng)

氧化鎵在近10年左右開始受到產(chǎn)業(yè)關(guān)注，短短4至5年時(shí)間就已經(jīng)出現(xiàn)了高質(zhì)量的襯底和外延片，發(fā)展速度十分驚人。有分析師預(yù)測(cè)，到2030年，氧化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)15億美元。IPAesmc

中國科學(xué)院院士郝躍表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競(jìng)爭(zhēng)力的電力電子器件，會(huì)直接與碳化硅器件競(jìng)爭(zhēng)。IPAesmc

氧化鎵目前主要是中日美三國在進(jìn)行研究。晶圓主要是中日在進(jìn)行生產(chǎn)。2014年日本用倒模法生長(zhǎng)了4英寸的晶圓，2016年推出了6英寸，隨后又實(shí)現(xiàn)了4英寸氧化鎵材料的突破及產(chǎn)業(yè)化。美國、德國、法國等也在加緊氧化鎵產(chǎn)品的研究和競(jìng)爭(zhēng)，如美國的空軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍實(shí)驗(yàn)室和宇航局；德國的萊布尼茨晶體生長(zhǎng)研究所、以及法國圣戈班等都已加入氧化鎵材料及器件研發(fā)的浪潮中。IPAesmc

中國則是中電研究所、山大、北郵等科研機(jī)構(gòu)研究較多。企業(yè)方面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年以來多家上市公司紛紛披露氧化鎵相關(guān)業(yè)務(wù)研發(fā)情況，涉及公司包括中航機(jī)電、新湖中寶、中鋼國際、藍(lán)曉科技、南大廣電、阿石創(chuàng)等。而初創(chuàng)企業(yè)方面，以杭州富加鎵業(yè)、北京銘鎵半導(dǎo)體、北京鎵族科技、深圳進(jìn)化半導(dǎo)體等已經(jīng)開始嶄露頭角，例如稼族科技在2017年已經(jīng)能生產(chǎn)2英寸晶圓。IPAesmc

氧化鎵功率器件的應(yīng)用進(jìn)展

基于氧化鎵材料，目前它在光電器件和功率器件產(chǎn)生了不少應(yīng)用。在功率器件里，目前主要是肖特基二極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其它器件結(jié)構(gòu)還未開展。IPAesmc

（1）氧化鎵基肖特基二極管IPAesmc

對(duì)于肖特基二極管，其精準(zhǔn)的勢(shì)壘高度調(diào)控仍然是個(gè)難題，同時(shí)其體電場(chǎng)仍有較大的優(yōu)化空間，另外由于功率集成的重要性日益突出，橫向肖特基二極管也應(yīng)受到關(guān)注。IPAesmc

對(duì)于p型摻雜，氧化物半導(dǎo)體通常很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)用的P型和N型，例如氧化鎳通常是P型的，而氧化鎵里P型則很難實(shí)現(xiàn)。因此可以考慮發(fā)展異質(zhì)PN結(jié)來進(jìn)一步改善功率器件的性能。IPAesmc

肖特基勢(shì)壘高度對(duì)于肖特基二極管而言是十分重要的，高肖特基勢(shì)壘帶來低泄露電流，但開態(tài)壓降隨之增加，反之亦然，需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景來選擇合適的勢(shì)壘高度。IPAesmc

（2）氧化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管IPAesmc

對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其發(fā)展進(jìn)度落后于肖特基二極管。更低的外延層摻雜濃度和更高的遷移率未來將會(huì)有所突破。另外先進(jìn)的耐壓技術(shù)例如高K、電荷平衡、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等會(huì)帶來更為顯著的性能提升。此外，還應(yīng)開發(fā)兼顧電流驅(qū)動(dòng)能力和增強(qiáng)型的橫向功率器件。IPAesmc

此外，中國科大國家示范性微電子學(xué)院對(duì)氧化鎵光電探測(cè)器作出前沿研究。IPAesmc

光電探測(cè)器在目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光通信、深空探索等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。響應(yīng)度和響應(yīng)速度是光電探測(cè)器的兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)，然而這兩個(gè)指標(biāo)之間存在著制約關(guān)系，此消彼長(zhǎng)。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術(shù)，該問題在以氧化鎵材料為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體探測(cè)器中尤為突出。可以通過引入額外的輔助光源實(shí)現(xiàn)對(duì)向光柵（OPG）調(diào)控方案，來緩解上述制約關(guān)系。IPAesmc

不可否認(rèn)，氧化鎵具有寬禁帶半導(dǎo)體獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。目前，單晶和外延已經(jīng)出現(xiàn)突破的曙光，高性能的原型器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，散熱不成問題。作為智慧高效能電力電子器件，氧化鎵潛力無限。IPAesmc