材料特性
β-氧化鎵是一種深紫外透明半導(dǎo)體氧化物，臨界電場強(qiáng)度8 MV/cm，是其最大優(yōu)勢，它還具有4.6-4.8 eV的禁帶寬度。
資料來源：GREGGH.JESSEN等人在2017年第75屆年度設(shè)備研究會(huì)議(DRC)上發(fā)表“TOWARD REALIZATION OF Ga2O3 FOR POWER ELECTRonICS APPLICATIONS”。
氧化鎵兼?zhèn)涓吣蛪?，低電阻和低成本三重?yōu)勢：一、氧化鎵具有超寬禁帶，超高擊穿場強(qiáng)；二、氧化鎵功率器件導(dǎo)通電阻更低，器件電能損耗更低；三、氧化鎵單晶可通過熔融法實(shí)現(xiàn)，單晶襯底成本更低。其弱點(diǎn)在于導(dǎo)熱率低，散熱難；p型摻雜難度較大。
此外，氧化鎵薄膜對應(yīng)的吸收波長為253nm，處在太陽光盲區(qū)（240-280 nm）波段中，因此是制備太陽光盲深紫外探測器的理想材料。
因此，氧化鎵在日盲紫外（200-300 nm波段）器件和超高功率（1-10 kW）電力電子器件方面有著無法取代的應(yīng)用價(jià)值。
此外，氧化鎵薄膜對應(yīng)的吸收波長為253nm，處在太陽光盲區(qū)（240-280 nm）波段中，因此是制備太陽光盲深紫外探測器的理想材料。
因此，氧化鎵在日盲紫外（200-300 nm波段）器件和超高功率（1-10 kW）電力電子器件方面有著無法取代的應(yīng)用價(jià)值。
發(fā)展歷程
氧化鎵晶體生長研究可以追溯到上世紀(jì)60年代，到2008年日本并木精密寶石有限公司的H.Aida等人成功生長出２英寸的β-Ga2O3單晶。日本田村公司（Tamura Corporation）實(shí)現(xiàn)了２英寸晶圓的產(chǎn)業(yè)化，目前已經(jīng)可以生長獲得６英寸的晶體。
此外，德國萊布尼茲晶體生長研究所、美國空軍實(shí)驗(yàn)室及Notthrop Grumman公司也通過提拉法生長獲得了２英寸晶體。
氧化鎵晶體生長研究可以追溯到上世紀(jì)60年代，到2008年日本并木精密寶石有限公司的H.Aida等人成功生長出２英寸的β-Ga2O3單晶。日本田村公司（Tamura Corporation）實(shí)現(xiàn)了２英寸晶圓的產(chǎn)業(yè)化，目前已經(jīng)可以生長獲得６英寸的晶體。
此外，德國萊布尼茲晶體生長研究所、美國空軍實(shí)驗(yàn)室及Notthrop Grumman公司也通過提拉法生長獲得了２英寸晶體。
β-Ga2O3晶體生長發(fā)展歷程
日本在氧化鎵研究上是比較超前的。2012年日本報(bào)道了第一顆氧化鎵功率器件，2015年推出了高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底、2016年推出了同質(zhì)外延片。
日本氧化鎵研發(fā)的中堅(jiān)企業(yè)是2011年京都大學(xué)投資成立的公司“FLOSFIA”，和2015年日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）與田村制作所合作投資成立的氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。
日本在氧化鎵研究上是比較超前的。2012年日本報(bào)道了第一顆氧化鎵功率器件，2015年推出了高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底、2016年推出了同質(zhì)外延片。
日本氧化鎵研發(fā)的中堅(jiān)企業(yè)是2011年京都大學(xué)投資成立的公司“FLOSFIA”，和2015年日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）與田村制作所合作投資成立的氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。
β- Ga2O3單晶、外延、器件發(fā)展時(shí)間線
資料來源：《超寬禁帶半導(dǎo)體β- Ga2O3相關(guān)研究進(jìn)展》，王新月等
氧化鎵應(yīng)用領(lǐng)域包括：
透明導(dǎo)電氧化物薄膜
氧化鎵晶體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度高，高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，這是傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電材料所不具備的，因此β-Ga2O3單晶可以成為新一代透明導(dǎo)電材料，在太陽能電池、平板顯示技術(shù)上得到應(yīng)用。
由于氧化鎵高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，因此日盲紫外探測器是目前氧化鎵比較確定的一條應(yīng)用路線。
功率電子
氧化鎵功率器件跟氮化鎵、碳化硅有部分重合，在軍民應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在軍用領(lǐng)域可用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機(jī)艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等，可大幅降低武器裝備系統(tǒng)損耗，減小熱冷系統(tǒng)體積和重量，滿足軍事應(yīng)用部件對小型化、輕量化、快速化與抗輻照耐高溫的要求；在民用領(lǐng)域可用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的節(jié)能減排。
襯底材料
氧化鎵能通過提拉法快速制備，是一種有潛力的襯底材料，可用來制備大功率GaN基LED，也可以利用同質(zhì)外延制備新型氧化鎵基功率電子器件。
制造工藝
β-氧化鎵的生長分為襯底材料的生長和薄膜的生長。
β-氧化鎵單晶襯底材料的生長方法有升華法，提拉法（熔體法）和HVPE等。
β-氧化鎵單晶薄膜的生長技術(shù)有金屬有機(jī)氣相沉積法(MOCVD)和分子束外延法（MBE），其中MOCVD法質(zhì)量較高，可實(shí)現(xiàn)多片快速生長，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，生長采用的金屬有機(jī)源為三甲基鎵，氧源為高純氧氣，生長溫度為550-700攝氏度。
良率低、成本高、制備方法尚待優(yōu)化
氧化鎵產(chǎn)業(yè)化的第一個(gè)難點(diǎn)在于材料制備，氧化鎵大尺寸單晶生長制備難度大。大尺寸高質(zhì)量的β-氧化鎵晶圓生產(chǎn)同第三代半導(dǎo)體材料一樣需要高溫。β-氧化鎵單晶熔點(diǎn)達(dá) 1820 ℃，高溫生長過程中極易分解揮發(fā)，容易產(chǎn)生大量的氧空位，進(jìn)而造成鑲嵌結(jié)構(gòu)、螺旋位錯(cuò)等缺陷，此外高溫下分解生成的 GaO 、 Ga2O 和 Ga 等氣體會(huì)嚴(yán)重腐蝕銥金坩堝。因此相較于GaN和SiC，氧化鎵半導(dǎo)體生長需要定制的MOCVD和HVPE設(shè)備。
日本企業(yè) NCT作為氧化鎵晶體研發(fā)領(lǐng)域的先驅(qū)，采用導(dǎo)模法成功生長最大 6 英寸氧化鎵單晶，而其它方法仍然無法制造產(chǎn)業(yè)所需的大尺寸襯底。但導(dǎo)模法制造的氧化鎵在制造過程中需要使用貴金屬銥（Ir）的坩堝，每克銥的價(jià)格高達(dá)上千元，約是黃金價(jià)格的 3-5 倍。
產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
從全球范圍來看，對于第四代半導(dǎo)體氧化鎵的研究，以日本最為領(lǐng)先。早在2012年，日本便獲得2英寸氧化鎵材料，并于2014年實(shí)現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化，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。
目前，日本企業(yè)NCT正聯(lián)合村田制作所、三菱電機(jī)、日本電裝和富士電機(jī)等科技巨頭，以及東京農(nóng)工大學(xué)、京都大學(xué)和日本國家信息與通信研究院等科研機(jī)構(gòu)，推動(dòng)氧化鎵單晶及襯底材料以及下游功率器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
此外，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。國內(nèi)外氧化鎵相關(guān)產(chǎn)品僅有襯底和外延片，大電流和高壓器件、模塊正在開發(fā)中。目前有多所高校、科研院所和科技企業(yè)開展氧化鎵的相關(guān)研究。國內(nèi)氧化鎵材料研究以山東大學(xué)、中國電科四十六所、中科院上海光機(jī)所、北京鎵族科技（北京銘鎵半導(dǎo)體、北京鎵和半導(dǎo)體）、杭州富加鎵業(yè)等單位為主。外延研究以中國電科四十六所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)等單位為主。器件方面研究以西安電子科技大學(xué)、中國電科十三所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)等單位為主。
推動(dòng)氧化鎵的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要促進(jìn)襯底、外延、器件、電路產(chǎn)業(yè)鏈全面發(fā)展。氧化鎵可以應(yīng)用于光電探測器，功率器件等領(lǐng)域，目前約80%的研究機(jī)構(gòu)朝著功率器件的方向努力。但由于氧化鎵材料適用于高功率領(lǐng)域，這就意味著其下游應(yīng)用不能從消費(fèi)電子開始，而需要從工業(yè)領(lǐng)域、新能源汽車等領(lǐng)域緩慢導(dǎo)入。因此氧化鎵下游應(yīng)用還需時(shí)間。
目前氧化鎵單晶襯底供應(yīng)方面，日本NCT公司占有全球90%以上的市場份額。據(jù)NCT預(yù)測，到2030年氧化鎵晶圓的市場將達(dá)到約590億日元（約4.2億美元）。有數(shù)據(jù)顯示，到2030年，氧化鎵功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)15億美元。
器件方面，氧化鎵功率電子器件制備面對p型摻雜的缺失和導(dǎo)熱性差兩個(gè)關(guān)鍵問題，目前仍處于研究開發(fā)階段。日本Flosfia公司提出到 2023 年夏季實(shí)現(xiàn)每月數(shù)十萬只新能源車用氧化鎵功率器件的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn) 1000 億日元（約7.32 億美元）銷售額的目標(biāo)。
