第四代半導體氧化鎵的機遇與挑戰

本文由進化半導體材料有限公司供稿

目前，以碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體受到廣泛的關注，人們對SiC在新能源汽車、電力能源等大功率、高溫、高壓場合，以及GaN在快充領域的應用前景寄予厚望，學術界、投資界和產業界都認可其將發揮傳統矽器件無法實現的作用。

然而，SiC 和 GaN 並不是終點，近年來日本對氧化鎵（Ga2O3，後簡稱GaO，與GaN對照）的研究屢次取得進展，使這種第四代半導體的代表材料走入了人們的視野，憑藉其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優的特性，以及極低的製造成本，在功率應用方面具有獨特優勢。因此，近幾年關於氧化鎵的研究又熱了起來。

實際上，氧化鎵並不是很新的技術，一直以來都有公司和研究機構對其在功率半導體領域的應用進行鑽研。但受限於材料供應被日本兩家公司壟斷，研究受到比較大的阻礙，相關研發工作的風頭都被後二者搶去。而隨著應用需求的發展愈加明朗，未來對高功率器件的效能要求越來越高，人們更深切地看到了氧化鎵的優勢和前景，相應的研發工作又多了起來，氧化鎵已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。另一方面，我國在這方面的研究仍比較欠缺，在日本已經可以推出批次產品、我國國內市場每年翻倍的當下，國內產業化程度仍處於非常初級的階段。

一、半導體材料的代際之分

首先我們先了解下各個代際半導體的情況：

1。第一代半導體材料主要是指矽（Si）、鍺（Ge）的元素半導體材料。第一代半導體材料，尤其是矽，在半導體器件的發展和應用中牢牢佔據著統治地位，是大規模積體電路、模擬IC、感測器等器件的材料基礎，矽的加工技術是摩爾定律得以實現的基石。矽基晶片在電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、矽光伏產業中都得到了極為廣泛的應用，致使產業外的很多人一提到半導體以為指的就是矽。

2。第二代半導體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等的化合物半導體材料，此外還包含三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP，還有一些固溶體半導體如Ge-Si、GaAs-GaP，玻璃半導體（又稱非晶態半導體）如非晶矽、玻璃態氧化物半導體，有機半導體如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

3。第三代半導體材料是指以碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料。在應用方面，根據第三代半導體的發展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、鐳射器和探測器、以及其他四個領域，每個領域產業成熟度各不相同。在前沿研究領域，寬禁帶半導體還處於實驗室研發階段。

4。第四代半導體材料主要是以金剛石（C）、氧化鎵（GaO）、氮化鋁（AlN）為代表的超寬禁帶（UWBG）半導體材料，禁頻寬度超過4eV，以及以銻化物（GaSb、InSb）為代表的超窄禁帶（UNBG）半導體材料。在應用方面，超寬禁帶材料會與第三代材料有交疊，主要在功率器件領域有更突出的特性優勢；而超窄禁帶材料，由於易激發、遷移率高，主要用於探測器、鐳射器等器件的應用。

需要強調的是，實際上四個代際的半導體材料並不是後面的要取代前面，而是對矽材料形成了重要補充。

二、氧化鎵材料的特性

氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結晶形態截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩定。

圖：β相氧化鎵晶體結構（網路）

業界與GaO的結晶生長及物性相關的研究報告大部分都使用β相，國內也普遍使用β相展開研發。β相具備名為“β-gallia”的單結晶構造。β相的帶隙很大，達到4。8～4。9eV，這一數值為Si的4倍多，而且也超過了SiC的3。3eV 及GaN的3。4eV（表1）。一般情況下，帶隙較大，擊穿電場強度也會很大。β相的擊穿電場強度估計為8MV/cm左右，達到Si的20多倍，相當於SiC及GaN的2倍以上，目前已有研究機構實際做出來6。8MV/cm的器件。

圖：半導體材料特性（郝躍院士）

β相在展現出色的物性引數的同時，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導熱率低，以及難以製造p型半導體。不過，目前研究表明這些方面對功率元件的特性不會有太大的影響。之所以說遷移率低不會有太大問題，是因為功率元件的效能很大程度上取決於擊穿電場強度。就β相而言，作為低損失性指標的“巴利加優值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場強度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。巴加利優值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。

Baliga效能指數是由原在美國General Electric從事多年功率半導體研發工作、現在美國北卡羅萊納州州立大學擔任名譽教授的Jayant Baliga先生提出的，用於Power MOS FET等單極元件（Unipolar Device）的效能評價。有將低頻的理論損耗定量化的“BFOM （Baliga`s Figure of Merits）”和將高頻的理論損耗定量化的“BHFFOM（Baliga`s High Frequency Figure of Merits）”。在功率半導體的研發領域，一般多實用低頻的BFOM。

圖：功率半導體材料對比（半導體行業觀察譯自PC。watch）

由於β相的巴利加優值較高，因此，在製造相同耐壓的單極功率器件時，元件的導通電阻比採用 SiC 或 GaN 的低很多，有實驗資料表明，降低導通電阻有利於減少電源電路在導通時的電力損耗。使用β相的功率器件，不僅能減少導通時的電力損耗，還可降低開關時的損耗，因為在耐壓 1kV 以上的高耐壓應用方面，可以使用單極元件。

圖：在電流和電壓需求方面Si，SiC，GaN和GaO功率電子器件的應用（Flosfia介紹）

比如，設有利用保護膜來減輕電場向柵極集中的單極電晶體（MOSFET），其耐壓可達到 3k～4kV。而使用矽的話，在耐壓為 1kV 時就必須使用雙極元件，即便使用耐壓較高的 SiC，在耐壓為 4kV 時也必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴為載流子，與只以電子為載流子的單極元件相比，在導通和截止的開關操作時，溝道內的載流子的產生和消失會耗費時間，損失容易變大。

在熱導率方面，如果該引數低，功率器件很難在高溫下工作。不過，實際應用中的工作溫度一般不會超過 250℃，因此，實際應用當中不會在這方面出現大的問題。由於封裝有功率器件的模組和電源電路使用的封裝材料、佈線、焊錫、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過 250℃，因此功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。

再從另一個角度看，易於製造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩定性也推動了GaO器件的發展。相關論文表示，用Si或Sn對GaO進行N型摻雜時，可以實現良好的可控性。

儘管某些UWBG半導體（例如氮化鋁AlN，立方氮化硼c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了GaO，但它們的材料製備、器件加工等環節受到了嚴格的限制。換而言之，AlN、c-BN和金剛石仍然缺乏大規模產業化的技術積累。

圖：關鍵材料（Si，SiC，GaN，GaO）特性對比（IEEE）

相關統計資料顯示，從資料上看，氧化鎵的損耗理論上是矽的1/3，000、碳化矽的1/6、氮化鎵的1/3，即在SiC比Si已經降低86%損耗的基礎上，再降低86%的損耗，這讓產業界人士對其未來有很高的期待。

圖：GaO成本構成（Compound Semiconductor）

而成本更是讓其成為一個吸引產業關注的另一個重要因素。

SiC晶錠的製作普遍採用PVT法，將固態SiC加熱至2500℃昇華後再在溫度稍低的高質量SiC籽晶上重新結晶，核心難點在於：

1）加熱溫度高達2500℃，且SiC生長速度很慢（<1mm/h）；

2）生長出的晶錠尺寸遠遠短於Si；

3）對籽晶要求很高，需要具備高質量、與所需晶體直徑一致等特點；

4）SiC晶錠硬度較高，加工及拋光難度大；

基於SiC襯底，普遍採用化學氣相沉積技術（CVD）獲得高質量外延層，隨後在外延層上進行功率器件的製造。由於SiC襯底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度，會進一步干擾外延層生長，外延層本身也會產生結晶缺陷，影響後續器件效能。

GaO和藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶狀態。實際上，透過運用與藍寶石晶圓生產技術相同的導模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已試做出最大直徑為6英寸（150mm）的晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶圓已經開始銷售作研究開發方向的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低廉、生長速度快、生長晶體尺寸大。

另一家Flosfia使用的“霧化法”已製作出4英寸（100mm）的α相晶圓，成本已接近於矽。而碳化矽（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）材料目前只能使用“氣相法”進行製備，未來成本也將繼續受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對於 GaO來說，高質量與大尺寸的天然襯底，相對於目前採用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術，將具備獨特且顯著的成本優勢。

三、氧化鎵的研發及產業化現狀

因為擁有如此多的優勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術。

據市場調查公司——富士經濟於2019年6月5日公佈的Wide Gap 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模將會達到1，542億日元（約人民幣92。76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1，085億日元，約人民幣65。1億元）還要大！

在SiC或GaN方面，從產業鏈分工的角度來看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底→外延→器件→模組垂直供應的體系。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購買襯底，隨後自行進行外延生長並製作器件及模組。

在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發全球領先。不過研究氧化鎵功率元件並進行開發的並不是上述範疇的大中型功率半導體企業，而是初創企業。

1、日本

據日本媒體2020年9月報道，日本經濟產業省（METI）正準備為致力於開發新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業和大學提供財政支援。METI將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。METI認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為資料中心、家用電器和汽車供應基於氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的矽材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。

資料顯示， 日本功率元件方向的氧化鎵研發始於以下三位：日本國立資訊通訊技術研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的東脅正高先生、京都大學的藤田靜雄教授、田村（Tamura）製作所的倉又朗人先生。

NICT的東脅先生於2010年3月結束在美國大學的赴任並返回日本，以氧化鎵功率元件作為新的研發主題並進行構想。

京都大學的藤田教授於2008年釋出了氧化鎵深紫外線檢測和Schottky Barrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發成果後，又透過利用獨自研發的“霧化法”薄膜生產技術（Mist CVD法）致力於研發功率元件。

倉又先生在田村（Tamura）製作所負責研發LED方向的氧化鎵單晶晶圓，並將應用在功率半導體方向。

三人的接觸與新能源·產業技術綜合開發機構（NEDO）於2011年度提出的“節能革新技術開發事業—挑戰研發（事前研發一體型）、超耐高壓氧化鎵功率元件的研發”這一委託研發事業有一定關聯，接受委託的是NICT、京都大學、田村製作所等。可以說，由這一委託開啟了GaO功率元件的正式研發。

2011年，京都大學投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村製作所合作投資成立了氧化鎵產業化企業“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。現在，兩家公司都是日本氧化鎵研發的中堅企業，必須強調的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產GaO材料及器件的企業，整個業界已經呈現出“All Japan”的景象。

（1）Flosfia

2011年由京都大學投資成立，在2017年獲得B輪融資750萬歐元（500萬英鎊），2018年三菱重工和電裝等大企業已經聯名參與了其C輪融資，累計融資接近5億人民幣。

在對成本要求嚴格的電動汽車、“廉價化”的家電等數碼機器方面，碳化矽和氮化鎵即使效能卓越，製造商也難以接受其價格，成本問題阻礙著產業界對新半導體的材料的匯入。FLOSFIA公司的“噴霧乾燥法”（MistDry）先將氧化鎵溶解於某種幾十種配方混合而成的溶液裡，然後將溶液以霧狀噴在藍寶石襯底上，在藍寶石基板上的溶液乾燥之前，就形成了氧化鎵結晶。這樣透過從液態直接獲得GaO襯底，不需要高溫、超潔淨的環境，實現了超低成本製造GaO。

圖：MistCVD原理圖（ Electronics Weekly）

這種溶液常溫下是液體，蒸發溫度不需要達到1，500度，幾百度就足夠，而且製作結晶的環境是在常溫空氣中，沒有任何高成本的環節。如果考慮做小尺寸，有望可以製造出和矽同樣價格、比矽效能更好的半導體。

圖：直徑為4英寸的藍寶石襯底上形成的Ga 2 O 3薄膜（FLosfia官網）

從官網可以看到，公司在2015年所首發的肖特基勢壘二極體（SBD）已經送樣，而其521V耐壓器件的導通電阻僅為0。1mΩ/cm²，855V耐壓的SBD導通電阻僅為0。4mΩ/cm²，損耗僅為SiC的1/7，由此足以見證新材料器件的優勢。

圖：Flosfia製作的超低導通電阻SBD（FLosfia官網）

因為材料屬性的原因，有專家認為用氧化鎵無法制造P型半導體。但京都大學的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開發出了具有藍寶石結構的GaO常關型電晶體（MOSFET）。

圖：常關GaO MOSFET的IV曲線（FLosfia官網）

常關型MOSFET 的第一個α相GaO由N +源/漏極層、p型阱層、柵極絕緣體和電極組成。從IV曲線外推的柵極閾值電壓為7。9V。該器件由新型p型剛玉半導體制成，其起到反型層的作用。團隊在2016年發現p型氧化銥Ir 2 O3，終於製作出了常關GaO MOS。

圖：常關型GaO MOSFET器件橫截面示意圖（FLosfia官網）

圖：常關型GaO MOSFET的光學顯微照片（FLosfia官網）

FLOSFIA總部位於日本京都，專門從事霧化學氣相沉積（CVD）成膜。利用氧化鎵的物理特性，FLOSFIA致力於開發低損耗功率器件。該公司成功開發了一種SBD，其具有目前可用的任何型別的最低特定導通電阻，實現與降低功率相關的技術，比以前減少了90％。

2018年，電裝與FLOSFIA宣佈合作研發新一代功率半導體裝置，旨在降低電動車用逆變器的能耗、成本、尺寸及重量。

同樣也是在2018年，電裝與Flosfia決定共同開發面向車載應用的下一代Power半導體材料氧化鎵（α相GaO）。據電裝表示，透過這兩家公司對面向車載的氧化鎵（α相GaO）的聯合開發，電動汽車的主要單元PCU的技術革新指日可待。此技術將對電動汽車的更輕量化發展及節約能源降低耗電起到積極作用，從而實現人、車、環境和諧共存。

圖：Flosfia GaO評估板（集微網）

據EE Times Japan報道，FLOSFIA在2019年12月11日-13日召開的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器件和評估板，並計劃於2020年進行全球範圍內首次GaO肖特基勢壘二極體的量產。FLOSFIA方面稱目前常關型GaO MOSFET的溝道遷移率已遠遠超過了商用SiC，讓這項技術和產品有望應用於需要安全性的各種電源中，並有望應用在電動汽車和消費級快充中，和SiC擁有同等水平或以上效能的GaO MOSFET價格也會更便宜。Flosfia計劃2021年實現GaO器件量產，業界正拭目以待。

（2）Novel Crystal Technology（以下簡稱NCT）

NCT成立於2015年，公司所採用的方案是基於HVPE生長的GaO平面外延晶片，他們的目標是加快超低損耗、低成本β相GaO功率器件的產品開發。

資料顯示，NCT已經成功開發，製造和銷售了直徑最大為4英寸的氧化鎵晶片。而在2017年11月，NCT與田村製作所（Tamura Corporation）合作成功開發了世界上第一個由氧化鎵外延膜製成的溝槽型MOS功率電晶體，其功耗僅為傳統矽MOSFET的1/1000。

圖：氧化鎵溝槽MOS型功率電晶體的示意圖（NCT官網）

按照他們的規劃，從2019財年下半年開始，NCT將開始提供擊穿電壓為650V的β相GaO溝槽型SBD的10-30A樣品。他們還打算從2021年開始推進大規模生產的準備工作。公司還致力於快速開發100A級別的β相GaO功率器件。

此外，日本早稻田大學採用FZ法生長出β-Ga2O3單晶。在單晶生長過程中通入適量O2抑制β-Ga2O3分解，晶體生長速度為1～5mm/h，直徑最大為2。54cm，長度約為50mm。

2、美國

（1）空軍研究室（AFRL）

美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領導的團隊探索了GaO材料的特性，結果顯示，GaO材料的速度和高臨界場強在快速功率開關和射頻功率應用中具有顛覆性的潛力。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的GaO研究基礎，獲得了首批樣品。

圖：AFRL製作的2英寸帶有GaN外延層的Synoptics 氧化鎵電晶體（Compound Semiconductor）

此後，Kelson Chabak接任團隊負責人，他們從唯一的商業供應商Tamura採購了襯底，並聯繫了Tamura投資的NCT購買外延片，同時也從德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）採購外延片。

Chabak表示：“我們之所以能夠成為該領域的領導者，是因為我們能夠儘早獲得材料”。

AFRL在2016年報告了一個有IKZ外延片製作的MOSFET，該器件在0。6um的G-S漂移區內承載電壓高達230V，意味著平均臨界場強達到了3。8MV/cm，大約是4倍於GaN的臨界場強，成為了“燎原之火”。

更重要的是，Chabak指出GaO的低熱導率並不會阻礙其成為主流射頻功率器件的因素，並用一些模型證明了倒裝晶片技術和背面減薄技術相結合，可以讓器件熱阻達到接近SiC的水平。

AFRL目前致力於在短期內突破電子束光刻技術引入到製程工藝中，並將電晶體的尺寸降到um以下，這樣將可使器件具備非常高的速度和擊穿電壓，成為快速開關應用的有力競爭產品。

AFRL正在試圖突破GaO外延技術，並且資助了諾格公司的子公司Synoptics開發GaO的襯底生長技術，當各個環節具備之後，美國將是第二個徹底實現全產業鏈國產化的國家。

（2）美國紐約州立大學布法羅分校（UB）

據外媒報道，2020年4月，美國紐約州立大學布法羅分校（the University at Buffalo）正在研發一款基於氧化鎵的電晶體，能夠承受8000V以上的電壓，而且只有一張紙那麼薄。該團隊在2018年製造了一個由5微米厚（一張紙厚約100微米）的氧化鎵製成的MOSFET，擊穿電壓為1，850 V。該產品將用於製造更小、更高效的電子系統，應用在電動汽車、機車和飛機上。

3、德國

關於德國開展氧化鎵研究的報道較少，目前僅看到德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）2009年開始研發和生長GaO晶體，使用提拉法，採用銥金坩堝，包括活動的銥金後加熱器，生長出的晶體直徑為2英寸，長度為40～65mm，晶體的結晶特性較好。此外，其也為美國AFRL供應了GaO外延片。

4、中國

我國其實開展氧化鎵研究已經十餘年，但是直到近年來46所的技術突破才實現了距離產業化“一步之遙”，從公開資料能瞭解到目前從事GaO材料和器件研究的單位和企業，主要是中電科46所、西安電子科技大學、上海光機所、上海微系統所、復旦大學、南京大學等高校及科研院所，科技成果轉化的公司有北京鎵族科技、杭州富加鎵業。國內團隊未見關於GaO MOS的報道。

（1）中電科46所

據觀察者網在2019年2月的報道，中國電科46所經過多年氧化鎵晶體生長技術探索，透過改進熱場結構、最佳化生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生長過程中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，採用導模法成功在2016年製備出國內第一片高質量的2英寸氧化鎵單晶，在2018年底製備出國內第一片高質量的4英寸氧化鎵單晶。報道指出，中國電科46所製備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm，總長度達到250mm，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。這也是目前為止國內唯一能夠達到該尺寸的記錄保持者。

（2）西電大學/微系統所

據中國科學院上海微系統與資訊科技研究所報道，在2019年12月，中國科學院上海微系統與資訊科技研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學郝躍課題組教授韓根全攜手，在氧化鎵功率器件領域取得了新進展。歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬能離子刀”智慧剝離與轉移技術，首次將晶圓級β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級整合，並製備出高效能器件。報道指出，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領域具有里程碑式的重要意義。首先，異質整合為GaO晶圓散熱問題提供了最優解決方案，勢必推動高效能GaO器件研究的發展；其次，該研究將為我國GaO基礎研究和工程化提供優質的高導熱襯底材料，推動GaO在高功率器件領域的規模化應用。

（3）復旦大學

在2020年6月，復旦大學方誌來團隊在p型氧化鎵深紫外日盲探測器研究中取得重要進展。報道表示，方誌來團隊採用固-固相變原位摻雜技術，同時實現了高摻雜濃度、高晶體質量與能帶工程，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問題。

（4）北京鎵族科技

資料顯示，北京鎵族科技有限公司成立於2017年年底，是國內首家、國際第二家專業從事第四代（超寬禁帶）半導體氧化鎵材料開發及應用產業化的高科技公司，是北京郵電大學的唐為華老師從2011年以來致力於氧化鎵材料及器件形成科研成果的產業化平臺。

公司研發和生產基於新型超寬禁帶半導體材料氧化鎵的高質量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件、高頻大功率器件，已與合作單位一起已經實現1000V耐壓的肖特基二極體模型製作，並已經實現5000V耐壓的MOSFET模型製作，開發出氧化鎵基日盲紫外探測器分立器件和陣列成像器件，為深紫外光電器件提供了良好解決方案，可支援極弱火焰和極弱電弧實時檢測等，並已推出系統化模組。公司已申請40餘項專利，完成了產業中試的前期技術、人員、軟硬體等量產化要求的所有準備工作。公司擁有廠房面積1500平米，涵蓋完整的產業中試產線，具備研發和小批次生產能力，初步構建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質/同質外延襯底生產和研發平臺。未來將不斷完善晶體生長、晶體加工、外延薄膜效能測試、微納加工、聯合研發等六大平臺搭建。

（5）杭州富加鎵業

據官網資訊，公司成立於2019年12月，註冊資金500萬，是由中國科學院上海光學精密機械研究所與杭州市富陽區政府共建的“硬科技”產業化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業。

富加鎵業專注於寬禁帶半導體材料研發，公司核心創始人具有中科院博士、劍橋大學博士等材料領域的深厚背景，團隊成員主要來自中國科學院、美英海歸等業內資深人才，研發人員中碩士以上比例達到80%；公司廠房面積八千餘平米，擁有多臺大尺寸導模法晶體生長爐、多氣氛晶體退火爐、高精密拋光機等儀器裝置，為公司的發展提供了基礎支撐和持續創新動力硬體保證。

富加鎵業最初技術來源於中科院上海光機所技術研發團隊，該團隊是我國最早從事氧化鎵晶體生長的團隊，從04年開始即開展研究。富加鎵業專業從事氧化鎵單晶材料設計、模擬模擬、生長及效能表徵等工作，形成了較鮮明的特色和優勢。我們注重智慧財產權保護和氧化鎵相關基礎探索研究工作，在全球範圍內對氧化鎵晶體材料生長及上下游應用領域的專利進行佈局，申請進入歐盟、美國、日本、韓國、新加坡等國家。團隊的氧化鎵晶體材料及器件基礎研究成果，多篇科研論文已發表在國際頂級學術期刊上，與全球科研工作者共享最新研究成果，共同推動全球第四代半導體相關行業的發展。

（6）其他

山東大學採用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法研究了β相GaO薄膜的生長及其光學性質。北京郵電大學、電子科技大學、中山大學也分別獨立開展了β相GaO薄膜及日盲紫外探測器的研究，已取得了一些重要的研究成果，但基本未見在晶體材料方面的相關報道。

5、其他

印度的Raja Ramanna先進技術中心採用類似EFG的方法，生長出直徑5～8mm、長度40～50mm的低缺陷β相GaO單晶，（400）面XRC半高寬約為0。028°。

葡萄牙聖地亞哥大學採用鐳射加熱浮區法生長出了離子摻雜和非摻的低缺陷β相GaO晶體光纖。

隨著電動車和行動式用電的需求成為主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已經明顯在第四代半導體的氧化鎵材料方面處於領先優勢，日本半導體界也將GaO作為日本半導體產業“復興的鑰匙”，已在國內掀起研發和應用的熱潮。與此同時，美國、中國、歐洲等也正在試圖追趕，可以想到的是，美日雙方從材料供應到技術合作必然要比中日合作更加深入，這場功率器件競賽已然拉開帷幕，而中國將可能獨自前行。

四、功率半導體的行業特徵適合氧化鎵器件的爆發式增長

功率半導體用於所有電力電子領域，市場成熟穩定且增速緩慢。但是，業界對於更大功率（充放電更快）、更高效節能（減少發熱更安全環保）、更小體積和重量（更便攜易安裝維護）以及更低成本（更廣闊的應用和市場）的追求是永無止境的。因此近年來，新能源汽車、可再生能源發電、變頻家電、快充等新應用領域迎來了新的巨大增長點。

①行業特徵一：不需要追趕摩爾定律，一般使用0。18~0。5um製程即可，倚重材料質量，對材料和器件的生產工藝要求高，因整體趨向整合化、模組化，需要開發新的封裝設計。

l 設計環節：功率半導體電路結構簡單，不需要像數字邏輯晶片在架構、IP、指令集、設計流程、軟體工具等投入大量資本。

l 製造環節：因不需要追趕摩爾定律，產線對先進裝置依賴度不高，整體資本支出較小。

l 封裝環節：可分為分立器件封裝和模組封裝，由於功率器件對可靠性要求非常高，需採用特殊設計和材料，後道加工價值量佔比達35%以上，遠高於普通數字邏輯晶片的10%。目前，根據在研專案和產品佈局看，國內企業開始向價值量更高的中高階產品轉型。

②行業特徵二：功率半導體行業一般採用IDM模式，更適合企業做大做強。上游的襯底、外延企業雖可以成為單獨環節，但如特徵一所述，工藝佔比很高，晶片設計和製造環節是要整合在一起的，否則將喪失技術進步的能力，並且產能受到限制，因此委外代工僅可作為低端產品的產能補充。

③行業特徵三：新能源車等新興應用不斷推動新半導體材料興起。

氧化鎵單晶材料在功率電子器件方面具有極大的應用潛力。典型的應用領域包括：電動汽車、光伏逆變器、高鐵輸電、軍用電磁軌道炮、電磁彈射、全電艦艇推進等；除此之外，氧化鎵自身即有不錯的射頻特性，當前由於低成本及與GaN的低失配的特性，還可用於GaN材料的外延襯底，GaN及HEMT具有功率密度高、體積小、可工作在40GHz等優點，是5G基站攻略放大器的首選材料。因此，5G行業的迅速發展也將帶動氧化鎵單晶襯底產業的迅速發展。

新能源、5G等新興應用加速第三代和第四代半導體材料產業化需求，我國市場空間巨大且有望在該領域快速縮短和海外企業的差距。

①天時：第四代材料在高功率、高頻率應用場景具有配合第三代半導體取代矽材的潛力，行業整體都處於產業化起步階段。

②地利：受下游新能源車、5G、快充等新興市場需求以及潛在的矽材替換市場驅動，目前深入研究和產業化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術儲備較弱，真正有技術的公司面對的競爭壓力小。

③人和：第四代半導體核心難點在材料製備，材料端的突破將獲得極大的市場價值，可獲得國家在政策和資金方面的大力支援。

五、我國發展氧化鎵的機遇與挑戰

從Yole的報道中可以看出，綠色線代表的GaO尺寸以前所未有的斜率快速增長，這得益於其材料可以透過上文提到的液相法進行生長，且已經接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。

矽基材料經過了50年的發展，達到了目前的12寸。

SiC材料的最大尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的美國Cree公司所推出的8英寸襯底樣品，其尚未匯入大規模商業化，產業界剛剛準備規模化生產基於6英寸襯底的功率器件。

由於國內LED產業的高度發展，業界基於8英寸矽基GaN的功率電子器件發展相對較快。

如此看來，GaO很有可能在尺寸方面，即大規模製造的可能性和成本方面對上述造成後來者居上的威脅。

圖：GaO與SiC成本對比（EE POWER）

成本方面，從同樣基於6英寸襯底的最終器件的成本構成來看，基於GaO材料的器件成本為195美金，是SiC材料器件成本的約五分之一，已與矽基產品的成本所差無幾。

目前我國正在大力發展第三代半導體SiC和GaN，對GaO剛剛開始關注，產業界、投資界對這種材料的特性和應用還未像前兩種材料一樣熟稔，有了解者也想當然認為SiC和GaN發展了數十年才達到現在的規模，那麼GaO勢必也還需要十年甚至數十年的發展才能大規模應用。這樣的想法可能會導致我們失去國內技術和市場發展的先機。

六、縮寫

NICT：日本國立資訊通訊技術研究所National Institute of Information and Communications Technology

NCT：新奇晶體技術公司Novel Crystal Technology

IKZ：德國萊布尼茨晶體生長研究所

AFRL：美國空軍研究實驗室Air Force Research Laboratory

Tamura：日本田村製作所

參考文獻

1。FLOSFIA 開發GaO MOSFET溝道遷移率遠超商用SiC（集微網）

2。Gallium oxide power device firm gets £5m in second-round funding（Electronics Weekly）

3。AFRL： Breaking Records With Gallium Oxide（Compound Semiconductor）

4。Gallium Oxide’s Glorious Potential（Compound Semiconductor）

5。Gallium Oxide Could Have Lower Cost than SiC， NREL Analysis Reveals（EE POWER）

6。Gallium Oxide： Power Electronics’ Cool New Flavor（IEEE）

7。2020年半導體將很有趣（PC。Watch）

8。FLOSFIA和GaO半導體的溝道遷移率超過SiC（Flosfia）

9。什麼是Mist Dry方法？（Flosfia）

10。成功使用氧化鎵外延膜開發了世界上第一個溝槽式MOS型功率電晶體（NCT）

11。碳化矽（SiC）：功率半導體產業發展新機遇（第三代半導體聯合創新孵化中心）