近日，美国对第四代半导体等技术实施新出口管制的消息引起各方关注。当地时间8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）发布公告称，将四项“新兴和基础技术”纳入新的出口管制。这四项技术分别是：能承受高温高电压的第四代半导体材料氧化镓和金刚石；专门用于3nm及以下芯片设计的ECAD（EDA）软件；可用于火箭和高超音速系统的压力增益燃烧技术。

根据BIS公告，对氧化镓、金刚石以及压力增益燃烧技术的出口管制将自今年8月15日起生效。

此前，我们就第三代半导体材料氮化镓进行了详细介绍和解读（一文看懂氮化镓），本次，就第四代半导体材料氧化镓做进一步解读。

氧化镓（Ga2O3）是一种无机化合物，具有5种同分异构体，包括α、β、γ、δ和ε。在这些同分异构体中，β相Ga2O3最稳定，其他几种为亚稳定，这些亚稳定相可以在一定的温度下发生相变，转变为β相Ga2O3。

氧化镓独特魅力一：超宽禁带

氧化镓因其基板制作相较于SiC与GaN更容易，又因为其超宽禁带的特性，使材料所能承受更高电压的崩溃电压和临界电场，使其在超高功率元件之应用极具潜力。（禁带宽度越大，越能增加宽禁带器件能够承受的峰值电压，器件的输出功率可以大大提高。同时，禁带宽度越大，器件的化学稳定性越高，使功率器件能够在更恶劣的环境下工作，大大提高了系统的稳定性和可靠性。）

半导体材料发展史

氧化镓是一种直接带隙的半导体材料，禁带宽度约为4.9eV，由于其禁带宽度远大于SiC和GaN，所以被称为超宽禁带半导体材料。（当禁带宽度超过6.2eV，基本上就是绝缘体。）

主要半导体材料特征对比

氧化镓的击穿场强理论上可以达到8MV/cm，是GaN的2.5倍，是SiC的3倍多；另外，Ga2O3具有良好的化学和热稳定性，成本低，制备方法简便、便于批量生产，在产业化方面优势明显。

相关统计数据显示，从数据上看，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，即在SiC比Si已经降低86%损耗的基础上，再降低86%的损耗，这让产业界人士对其未来有很高的期待。

氧化镓独特魅力二：可控掺杂，高适应性

一种材料仅仅有宽带隙是不够的。所有的电介质和陶瓷都有宽带隙，否则它们就不会被用作绝缘体了，而氧化镓有一组独特的特性，它可以作为功率切换和射频电子器件的半导体从而发挥巨大作用。它的特点之一是，通过掺杂的方法，可以在氧化镓中加入电荷载流子，使其更具导电性。

掺杂包括向晶体添加一定量的杂质，以控制半导体中载流子的浓度。对于硅，可以使用离子注入法，然后退火处理，在晶体中掺杂磷（以添加自由电子）或硼（以减去自由电子），从而使电荷能够自由移动。对于氧化镓，可以用同样的方法在晶体中掺杂硅来添加电子。如果在任何其他宽带隙氧化物中这样做，结果可能是破碎的晶体和晶格斑点，这样的话电荷会被卡住。

氧化镓能够适应通过“离子注入”标准工艺添加以及外延生长（沉积额外的晶体）过程中添加的掺杂剂，因此我们能够借用各种各样的既有商业光刻和加工技术。借助这些方法，精确定义几十纳米的晶体管尺寸和产生各种各样的器件拓扑结构变得相对简单。其他宽带隙的半导体材料不具备这种难以置信的有用特性，甚至氮化镓也不例外。

氧化镓独特魅力三：成本优势

氧化镓材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3个数量级，这在芯片加工中可以规避很多问题，而且由于是同质外延，器件不会像GaN一样出现晶格失配问题。

除碳化硅（SiC）以外，其他所有新兴宽带隙半导体根本没有大尺寸半导体基底可供生长大晶体。这意味着它们必须生长在另一种材料盘中，而这是有代价的。例如，氮化镓通常依靠复杂的工艺在硅、碳化硅或蓝宝石基底上生长。不过，这些基底的晶体结构明显不同于氮化镓的晶体结构，这种差异会造成基底和氮化镓之间的“晶格失配”，从而产生大量缺陷，比如导致电荷被卡住。

氧化镓由于作为自己的基底，所以不存在不匹配的情况，也就没有缺陷。

正是基于氧化镓的高适应性，我们能够借用各种各样的既有商业光刻和加工技术，根据需要制造氧化镓晶体大晶圆。

而大晶圆就意味着成本的显著下降。

氧化镓和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状(Bulk)单结晶状态。实际上，通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的导模法EFG(Edge-definedFilm-fed Growth)，日本NCT已试做出最大直径为6英寸(150mm)的氧化镓晶圆，直径为2英寸(50mm)的晶圆已经开始销售作研究开发方向的用途。这种工艺的特点是良品率高、成本低廉、生长速度快、生长晶体尺寸大。

另一家Flosfia使用的“雾化法”已制作出4英寸(100mm)的α相氧化镓晶圆，成本已接近于硅。而碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)材料目前只能使用“气相法”进行制备，未来成本也将继续受到衬底高成本的阻碍而难以大幅度下降。

总结来看，氧化镓因其超宽禁带的特性，使材料所能承受更高电压的崩溃电压和临界电场，令其在超高功率元件之应用极具潜力。又因其高质量与大尺寸的天然衬底，相对于目前采用的宽禁带SiC与GaN技术，将具备独特且显著的成本优势。

上文我们已经详细说明了氧化镓对比第三代半导体材料的具体优势，那么，氧化镓有什么缺点呢？

缺点一：导热性低VS攻克进度

在所有可用于射频放大或功率切换的半导体中，氧化镓的导热性最差。其热导率只有金刚石的1/60，碳化硅（高性能射频氮化镓的基底）的1/10，约为硅的1/5。低热导率意味着晶体管中产生的热量可能会停留，有可能极大地限制器件的寿命。

事实上，每种带隙比硅大的半导体（甚至是金刚石）在充分发挥其潜能时，都有散热问题，但可以通过工程设计克服该问题。

例如，日本国家信息与通信技术研究所东京实验室的研究人员将p型多晶碳化硅粘合到了薄约10微米的氧化镓晶圆的背面，大大提高了器件的热阻。

美国空军研究实验室的研究人员发现，在某些器件的拓扑结构中，几乎所有的热量都是在材料顶部1微米处产生的，因此他们模拟了接触电极和使用介质填料将热量分流到散热器的效果，并取得了较好的结果。

缺点二：生产成本高昂VS攻克进度

此前，氧化镓衬底主要采用导模法（EFG法）进行生产，由于EFG法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长，对生长环境要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。

但一方面铱价格昂贵，价格是黄金的三倍，6英寸设备需要几公斤的铱，相当于一大块黄金，仅坩埚造价就超过600万，从大规模生产角度很难扩展设备数量，另一方面，铱只能依赖进口，给供应链带来很大风险。

不过值得关注的是，我国的浙江大学，日本东北大学联合C&A公司都报道了无铱工艺，从关键材料端角度让低成本氧化镓成为可能，也推动整个产业链的发展进程。

缺点三：P型缺失VS攻克进度

作为一款半导体材料，若想大规模应用一般是需要P型和N型共同存在，形成PN结从而参照Si的器件结构和工艺直接制造MOS、IGBT等多种器件，可以有广泛的市场应用。

然而氧化镓目前仅有N型材料，令人沮丧的是，这种材料的基本电子特性使其在这方面希望渺茫。特别是，这种材料的能带结构的价带部分不具有空穴传导的形状。因此，即使有一种掺杂剂能使受体处于正确能级，所产生的空穴也会在它帮助传导之前困住自己。这就让其未来的应用潜力充满不确定性，业界唯恐器件开发受到材料限制成为一条断头路，所以尽管当前氧化镓SBD已可实现量产，业界仍对氧化镓的未来产生质疑。

虽然这一弱点确实带来了更多挑战，但它并非阻碍。今年5月份，中国科学技术大学团队在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展。

中科大微电子学院龙世兵教授课题组成功制备出耐高压且耐高温的氧化镓异质结二极管，以及氧化镓增强型异质结场效应晶体管。相关两篇论文入选第34届功率半导体器件和集成电路国际会议ISPSD。

龙世兵课题组在原有增强型晶体管设计基础上，引入了同样为宽禁带半导体的P型氧化物材料NiO（氧化镍），并与沟槽型结构相结合，基于NiO生长工艺和异质PN的前期研究基础，设计了结终端扩展结构(JTE)，并优化退火工艺，成功制备出耐高压且耐高温的氧化镓异质结二极管。

综上，尽管氧化镓材料目前并不是主流市场的商用化材料，但从最新的研究进度来看，其中酝酿着巨大的应用前景。

对氧化镓材料的研究日本起步最早，2011年就开始大力发展与氧化镓相关的技术研究了，日本的田村是世界上首家研发出氧化镓单晶的公司，并进行了UVLED、紫外探测器的研发。

另根据公开的资料显示，田村在2017年的日本高新技术博览会上推出了氧化镓SBD功率器件。美国在2018年也开始了对氧化镓材料的研究。

我国对新材料的关注也在不断加强。今年我国科技部将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，让第四代半导体获得更广泛关注。早在2018年我国已启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究。

今年5月10日，浙大杭州科创中心首次采用新技术路线成功制备2英寸 （50.8 mm）的氧化镓晶圆，使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际尚属首次。

浙大成功制备氧化镓晶圆

该新技术路线生长的氧化镓晶圆有两个显著优势，一是使用这种方法生长出的氧化镓晶圆的晶面具有特异性，使得制作的功率器件具有较好的性能；二是由于采用了熔体法新路线，减少了贵金属铱的使用，使得氧化镓生长过程不仅更简单可控，成本也更低，具有更大的产业化前景。

基于市场对功率密度更高、损耗更低、成本更低、性能更好的功率器件的渴求，有充分的理由相信氧化镓将会在未来3-5年释放惊人的潜力。

第一代、第二代半导体材料主导的时代，国内和海外的技术代差较大，但在第三代、第四代半导体的新时代，彼此起步差距小，国内存在弯道超车的可能。

据Datayes!Pro不完全统计，目前A股上市公司中涉及氧化镓产业的包括了三安光电、南大光电、中瓷电子等。

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