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【国内论文】氧化镓材料发展现状与展望

日期：2025-04-17阅读：40

超宽禁带半导体材料凭借大禁带宽度、高击穿电场、低能耗等优势，在超高压电力电子器件、射频电子发射器、辐射探测器、量子通信和极端环境应用等高精尖领域有巨大的应用前景，能够弥补现有半导体材料的不足。在军用领域可望适用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统，以及抗辐照、耐高温宇航用电源等，可大幅降低武器装备的系统损耗，减小热冷系统体积和重量，满足军事装备对小型化、轻量化、快速化与抗辐照、耐高温的要求。在民用领域，可望用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、医疗设备和消费类电子等领域，实现更大的节能减排效果，被认为是未来支撑信息、能源、交通、制造、国防等多领域快速发展的重要基础。2022年8月，美国商务部工业和安全局宣布对氧化镓（Ga₂O₃）和金刚石（Diamond）这两类超宽禁带半导体材料实施出口管制，因为“利用这些材料的设备显著增强了军事潜力”，认为Ga₂O₃和金刚石“能够在更快、更高效、更长时间和更恶劣条件下工作，可能会改变商业和军事领域的游戏规则”。

氧化镓材料发展现状

氧化镓功率器件可满足未来电力系统对电力电子器件高耐压与低功耗的需求，成为下一代电力电子器件的最有力竞争者。为了全面推进Ga₂O₃材料与器件的研究，日本、德国、美国等国家均通过了一系列Ga₂O₃材料和器件的研究计划。2014年，日本国立产业技术综合开发机构在其战略节能技术创新计划中启动了“β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管商业化开发”项目，旨在推动氧化镓功率器件的研究和商业化。美国空军研究实验室为了进一步提升军用雷达、电子战及通信系统中射频器件及功率开关器件的性能，通过了一项历时27个月的Ga₂O₃单晶材料制备研究的计划。2016年1月，美国国防部高级研究计划局启动了与氧化镓材料外延生长技术相关的研究计划，该计划的提出，基于未来海军战舰上配备的电磁轨道炮、防空雷达系统及DDG-51驱逐舰推进系统，均需要高压、高效功率转换器实现所需功率密度。据统计，全世界其他国家从2016年到现在每年均有超过1 000万美元投入氧化镓材料和器件的研发。2023年9月美国防部宣布实施微电子共享计划，将“高压氧化镓功率开关”列入重点关注关键技术。日本也正加快氧化镓产业化速度，布局多家日本行业领军企业进入氧化镓领域。

氧化镓单晶能够采用液相的熔体法生长，并且硬度较低，材料生长和加工的成本均有优势。Ga₂O₃单晶可以通过多种熔体法制备，包括浮区法、提拉法、导模法、垂直布里奇曼法、铸造法、冷坩埚法等。导模法生产的4英寸Ga₂O₃单晶衬底已经实现了商用，导模法、垂直布里奇曼法和铸造法实现了6英寸Ga₂O₃单晶衬底技术突破，提拉法、冷坩埚法也成功制备出2英寸Ga₂O₃单晶。导模法、铸造法、提拉法需要用到昂贵的铱坩埚，Ga₂O₃未来大规模商用化发展可能会受到成本的限制。而垂直布里奇曼法、冷坩埚法、浮区法不需要用到昂贵的铱坩埚，单晶生长成本预计会大幅下降。

日本和德国对氧化镓单晶生长的研究起步较早。2000—2006年，日本及德国学者利用提拉法、导模法率先成功制备出β-Ga₂O₃单晶。日本NCT股份有限公司作为β-Ga₂O₃衬底生产的引领者，在大尺寸、高质量Ga₂O₃晶圆供应市场上占据了统治地位，当前占有全球90%以上的衬底市场份额。NCT股份有限公司2012年第1次实现2英寸晶圆衬底技术突破，2018年通过导模法量产4英寸β-Ga₂O₃晶圆，2022年突破6英寸β-Ga₂O₃晶圆制备技术，并于2024年宣布能够采用更低成本的垂直布里奇曼法制备出6英寸β-Ga₂O₃单晶衬底。德国莱布尼茨晶体生长研究所采用提拉法实现2英寸氧化镓晶圆制备。

相比美国、日本和德国等国家，中国在氧化镓衬底、材料和器件方面的研究起步较晚，整体处于跟跑阶段。近年来在相关部委的支持下，部分器件指标达到国际领先，但在氧化镓材料方面仍有差距。虽然目前中国氧化镓领域飞速发展，涌现了多家企业，但整体产业链还不够齐全，“单晶-外延-器件-装备”工程化和产业化成熟度还不够高。除了国家的持续支持引导外，也需要学术界、投资界及产业界各领域精诚合作，面向氧化镓产业化目标，协同攻关，迭代优化。

国内多家科研机构在氧化镓材料和器件方面开展了系列研究，包括山东大学，同济大学，中国科学院上海光学精密机械研究所，中国电科第四十六、十三研究所，北京大学，吉林大学，西安电子科技大学，南京大学，北京邮电大学，中山大学，复旦大学等。中国电科第四十六研究所2016年制备出2英寸β-Ga₂O₃晶圆，2018年研制出4英寸β-Ga₂O₃晶圆，2023年成功实现6英寸β-Ga₂O₃晶圆制备。山东大学采用导模法成功制备6英寸氧化镓衬底。浙江大学2022年采用铸造法成功生长2英寸β-Ga₂O₃单晶；2023年制备出4英寸β-Ga₂O₃单晶；2024年突破6英寸β-Ga₂O₃单晶生长。2024年7月，浙江大学孵化企业杭州镓仁半导体有限公司在氧化镓晶体生长与衬底加工技术上取得突破性进展，成功制备出3英寸晶圆级(010)Ga₂O₃单晶衬底，为目前国际上报道的最大尺寸。2024年10月，杭州镓仁半导体有限公司基于自主研发的氧化镓专用晶体生长设备，并采用垂直布里奇曼法，成功生长出2英寸的氧化镓单晶，这是国内首次实现此项技术突破。杭州富加镓业科技有限公司及北京铭镓半导体有限公司具备4英寸单晶生长技术，并实现2英寸单晶衬底商业化。中国科学技术大学团队针对氧化镓缺乏有效p型掺杂导致难以实现增强型垂直结构晶体管的难题，通过优化后退火工艺实现氮替位激活和晶格损伤修复，研制出kV级氧化镓垂直槽栅晶体管。这一成果发表于第36届国际功率半导体器件和集成电路会议，为实现面向应用的高性能氧化镓晶体管提供了新思路。

当前，6英寸及以上无铱法氧化镓单晶衬底材料制备产业化技术的突破，需要设备和工艺相互配合，根据工艺优化设备（包括热场流场），再根据设备优化工艺，多次迭代才能将材料的技术成熟度等级提升到更高阶段。另外，包括氧化镓、金刚石等超宽禁带半导体面临着双极型掺杂难这一问题，难以制造同质双极型器件以同时满足大电流和高电压承载的要求。采取异质结策略，构建具有良好界面和能带匹配的p-Diamond/n-Ga₂O₃二极管，是实现高性能超宽禁带双极型二极管的理想组合，有利于充分发挥超宽禁带半导体在先进电力电子器件的应用优势。中国科学院宁波材料技术与工程研究所、郑州大学、南京大学及哈尔滨工业大学研究团队紧密合作，通过异质外延界面调控和器件结构优化设计，成功制备击穿电压超3 000 V的p-Diamond/n-Ga₂O₃异质pn结二极管。该工作提供了一种兼具高耐压特性、低导通电阻和高效热管理策略的超宽禁带半导体异质pn结二极管的制造方案，将进一步推动超宽禁带半导体在功率器件领域的发展。

发展方向及挑战

氧化镓材料具有超宽的禁带宽度、超高临界击穿场强和抗辐照的优异特性，成为推动功率器件微型化、轻量化的关键半导体，将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电及工业电源等领域。尽管氧化镓单晶材料相对制备和加工难度低，但在电子器件方面还处于初始研究阶段，仍有很多关键技术和科学问题亟待解决，如大尺寸单晶易开裂、材料低热导率导致的强自热效应、p型掺杂难、载流子迁移率低及异质界面缺陷多等系列问题，器件性能距离理论值还有很大差距。

未来重点发展的研究方向主要包括：大尺寸、高质量氧化镓和金刚石单晶衬底材料生长，氧化镓、金刚石等半导体薄膜的外延生长与性能调控，超宽禁带半导体的n型和p型掺杂和高效激活，载流子迁移率提升机制和方法，高性能超宽禁带半导体器件制备与异质集成等。

政策建议

1）统筹发展与安全，启动专项支持，加大投入强度，推进国家战略导向的体系化基础研究，全面系统布局超宽禁带半导体

2）探索以有公信力的第三方机构牵引、衔接、组织各方创新力量，采用能够根据形势和任务不断调整组织形式的柔性机制

3）通过创新政策、科技金融牵引，形成系统创新能力，实现国家信用对研发链、产业链和资本链的拉动，引导和整合社会资源投入应用基础研究

结束语

当前，全球正在经历新一轮电气化进程。交通运输、大算力设施等新兴应用的快速布局，对更加高效、更加强劲的电能处理能力提出了迫切需求，这成为下一代电力电子系统研发的新动力。因此，需要及时布局以超宽禁带半导体材料为代表的下一代战略性电子材料及其器件、电路、系统的具有前瞻性、系统性、应用导向性的研究。超宽禁带半导体的材料生长和器件研制仍处于初始阶段，发达国家均瞄准这一半导体领域的发展新方向积极投入力量。