随着量子信息、人工智能等高新技术的发展，行业对半导体及微电子等多功能器件的要求越来越高，即使第三代半导体技术也不能完全让人满意，为了满足高性能、低成本的需求，第四代半导体成为关注的对象，其中最引人瞩目的就是氧化镓。
近期市场上又不断出现关于氧化镓制备技术突破的消息。10月8日，东京农工大学与大阳日酸CSE联合推出一种名为“有机金属化学气相沉积（MOCVD）法”的技术，可以通过充满气态原料的密闭装置，在基板上形成氧化镓晶体，这一创新方法预计将降低设备的保养需求和运营开支，目前，大阳日酸正在将此技术商业化，以满足客户需求。
10月11日，一家俄罗斯公司JSC Rokor也宣布开发了一项生产单晶氧化镓晶圆的突破性技术，据了解此方法摆脱了对传统制造方法至关重要且昂贵材料铱的需求，这将显著降低生产成本，据估计可能降低三到七倍，目前Rokor表示正准备应用此技术投入生产。
作为第四代半导体，氧化镓具有耐高压、耐高温、小体积、低功耗等特性，不过制备技术的不成熟以及尚且高昂的成本一直制约着其商业化应用，如今随着技术的突破似乎迎来了新的发展契机。
性能更优的氧化镓
氧化镓是一种超宽禁带的半导体材料，其禁带宽度达到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化镓的3.39eV，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此在超高温、强辐射等极端环境下也能保持性能稳定。
同时，氧化镓的导通特性约为碳化硅的10倍，理论击穿场强约为碳化硅3倍多，意味着氧化镓能适应更高压、损耗更低，有数据显示，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，这将有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。
此外，在同等规格下，宽禁带材料可以制造芯片尺寸更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积，进一步降低成本，氧化镓的诸多优异特性让其逐渐成为下一世代重要、且最具潜力的宽能隙半导体系列材料。
中国科学院院士郝跃曾表示，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。
2022年8月，美国将高纯度的半导体材料氧化镓列入禁止对华出口管制清单中；2023年8月，中国商务部和海关总署正式对半导体原料镓实施出口管制，氧化镓已成为国家间争夺下一时代半导体主导权的重要部分。
氧化镓理论生产成本更低
氧化镓生长的工艺流程是从原料在坩埚中熔化和拉晶开始，之后经过切、磨、抛的工序，形成氧化镓单晶衬底，再经过外延工艺，得到同质外延或异质外延结构，最终加工为氧化镓晶圆。
理论上，相比于碳化硅和氮化镓，氧化镓拥有更低的生产成本，因为其生长过程可以使用常压下的液态熔体法，而碳化硅和氮化镓由于自身的特性，只能使用气相法生产，氧化镓液态熔体法每小时可生长10~30mm，每炉2天，而碳化硅气相法生长，每小时生长0.1~0.3mm，每炉7天，速度快了约100倍，基板更容易制造，从而显著降低了成本。
不过氧化镓液态熔体法生产，需要依赖铱坩埚，在高温富氧的环境下，制备氧化镓原料容易分解成Ga和O2，只有贵金属铱坩埚能够在这种极端环境下保持稳定，然而铱坩埚价格非常高昂，同时非常容易损耗，生长几十炉后就会被腐蚀，需要重新熔炼加工，并且在长晶过程中，铱会形成杂质进入晶体降低成品率，因此行业内对于开发无铱法有着很强的需求。
基于此各国都在努力突破氧化镓的无铱法制备技术，在去年4月，日本C&A公司就宣布，采用一种铜坩埚的直拉法生长出2寸氧化镓单晶，能够将成本降至导模法的1/100；此次新开发的“有机金属化学气相沉积（MOCVD）法”则可以将晶体的生长速度提高到了每小时约16微米，达到传统方法的约16倍。
无铱法制备的氧化镓单晶（来源：日本C&A公司）
俄罗斯公司Rokor新开发的工艺也将消除对铱的依赖，据目前的消息，一块俄罗斯氧化镓晶圆的成本预计在3000美元左右，明显低于日本进口晶圆的每片6400美元，不过并未公布具体的晶圆尺寸，同时还指出，新工艺所有必要的研发工作已经完成，面向全球市场的氧化镓晶圆的全面生产预计不超过一年半的时间。
如今新的制备技术，如无铱法制备氧化镓的工艺正在被开发和应用，这将有效降低氧化镓的生产成本，推动产业的快速发展，未来随着技术的成熟，氧化镓更加优良的性能以及更加低廉的价格，将会让其在市场中得到广泛应用。
结语
氧化镓在功率器件领域有着突出的特性优势，尤其是在大功率应用场景，氧化镓被寄予厚望，满足行业对功率器件耐高温高压、高频率、低功耗等更高性能应用的需求，未来十年内将会与碳化硅、氮化镓进行竞争，包括航空航天、5G通讯、轨道交通、高端装备、智能电网和新能源汽车等领域。
FLOSFIA预测，到2025年，氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年将达到15.42亿美元（约100亿元人民币），占碳化硅的40%，是氮化镓的1.56倍；富士经济也预测，到2030年，氧化镓功率元件市场规模将达到1542亿日元（约92.76亿元人民币），将超过氮化镓功率元件的市场规模，这种趋势反映了氧化镓在功率电子设备中的重要性及其未来的潜力。
https://cn.nikkei.com/industry/scienceatechnology/53690-2023-10-09-10-18-33.html
https://mp.weixin.qq.com/s/mNAe2EtL5vFFxkNO56T22Q
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：多国宣布技术突破，第四代半导体，真的来了！