第一、二、三、四代半導體材料各有利弊，在特定的應用場景中存在各自的比較優勢，但不可否認的是，中國在第一、二代半導體的發展中，無論是在宏觀層面的市場佔有率、企業佔位或在微觀層面的製備工藝、裝置製造等方面，中國與世界領先水準之間都存在著明顯的差距。

國內可能並且走在世界前沿的半導體材料或者能讓中國在半導體行業實現彎道超車並以此為契機助力中國經濟高品質發展的機會應該是對新型材料的研究與開拓，比如應用場景廣泛、波及產業眾多、產業佔位靠前的在功率、射頻等方面可以大放異彩的氧化鎵材料；其具備製備成本較低、相對環保、性價比更高、材料屬性優勢明顯、工藝製造精妙但成本相對較低優勢等特性。

在第三代半導體發展得如火如荼之際，氧化鎵、氮化鋁、鑽石等第四代半導體材料也開始受到關注。其中，氧化鎵( Ga2O3 )是國際普遍被關注並認可已開啟產業化的第四代半導體材料。

氧化鎵( Ga2O3 ) 在耐壓、電流、功率、損耗等維度都有其優勢，此前被用於光伏領域的應用，直到2012年開始，業內對它更大的期待是用於功率器件，全球80 %的研究單位都在朝該方向發展。

日本在氧化鎵研究上是比較超前的。 2012年日本報告了第一顆氧化鎵功率元件，2015年推出了高品質氧化鎵單晶基板、2016年推出了同質外延片，此後，基於氧化鎵材料的裝置研究成果開始爆髮式出現。

中國氧化鎵的研究則更集中於科研領域，產業化處理程序剛起步，但是進展飛速，今年中國科技部將氧化鎵列入“十四五重點研發計畫”，讓第四代半導體獲得更廣泛關注。

一個材料產業的發展，需要材料、裝置、模組、應用等多個環節形成完整循環。目前，第三代半導體材料已發展出完整的產業鏈，且朝著成本不斷降低的方向發展；而氧化鎵則仍處於一個研究繼續深入，產業化初步開始的階段。

氧化鎵想要獲得產業發展，需要至少3個要素：

一是材料成本降低，足以用於產業；

二是襯底、外延、裝置產業鏈發展完善；

先前，氧化鎵基板主要採用導模法（EFG法）進行生產，由於EFG法需要在1800℃左右的高溫、含氧環境下進行晶體生長，對生長環境要求很高，需要耐高溫、耐氧，還不能污染晶體等特性的材料做坩堝，綜合考慮性能和成本只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。但一方面銥價格昂貴，價格是黃金的三倍，6吋裝置需要幾公斤的銥，相當於一大塊黃金，光是坩堝造價就超過600萬，從大規模生產角度很難擴展裝置數量，另一方面，銥只能依賴進口，為供應鏈帶來很大風險。

值得關注的是，中國的深圳進化半導體，日本東北大學聯合C&A公司都報導了無銥工藝，從關鍵材料端角度讓低成本氧化鎵成為可能，也推動整個產業鏈的發展處理程序。

第四代半導體我們其實叫超禁帶半導體，它分兩個方向，一是超窄禁帶，禁頻寬度（指被束縛的價電子產生本征激發所需要的最小能量）在零點幾電子伏特（eV），比超窄禁帶更窄的材料便稱為導體；二是超寬禁帶，如禁頻寬度在4.9eV的氧化鎵，以及更高的鑽石、氮化鋁等，當禁頻寬度超過6.2eV，基本上就是絕緣體。目前來看，超禁帶半導體將會是最後一代半導體，尤其是鑽石很早就被稱為「終極半導體」。

氧化鎵材料可以被用於什麼產品？

半導體材料的禁帶越寬，需要的活化能越大，才能將電子從一個束縛的電子變成自由電子，它對波長比較長的光吸收量很少，氧化鎵響應波長250~300nm，因此可以用於探測日盲紫外光，目前這個方向受到科研人員的廣泛肯定。不過我們團隊還是更熟悉功率應用，光伏應用就期待其他團隊來努力了。

日盲紫外線帶的光線無法穿透大氣層，會被大氣層直接吸收。一旦在大氣層中探測到這種光線，那麼它要麼來自閃電，要麼來自導彈，要麼來自戰鬥機，可以用該材料當作軍用光線探測器。此外，在電站、加油站等場景，故障早期出現電暈放電情況時也會發出這種紫外的光，如果狀況繼續惡化的，它就開始發熱並變成紅外線的光，相當於可以用氧化鎵防患於未然，不過能用做這種探測的材料還蠻多的，比如氮化鋁、碳化矽，氧化鎵在這個應用可能還需要進一步證明它的不可取代性，不像功率領域這麼簡單明了。

業界對氧化鎵的開發更多還是在功率元件上，基本上80%的研究單位都在朝著功率元件的方向發展。

市場對於功率更高、損耗更低、成本更低、性能更好的裝置的追求是永無止境的。

高品質單晶材料的製備是後期有效應應用的基礎與前提，新型材料氧化鎵的製備工藝具有複雜但成本可控、精妙但工藝成熟等特點，為防止文章過於空洞，特以同為新型材料的碳化矽生產為對比，助讀者能有一個清楚的參照物做對比，不至於理解起來過於空洞，至於成本如何可控、工藝如何，讀者可在以下對比中可窺得一二。

PVT法透過感應加熱的方式在密閉生長腔室內在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化矽粉料，使其昇華產生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應氣體，通過固—氣反應產生碳化矽單晶反應源；由於固相昇華反應形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學計量比隨熱場分佈存在差異，需要使氣相組成依設計的熱場和溫梯進行分佈和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結晶位置；為了避免無序的氣相結晶形成多晶態碳化矽，在生長腔室頂部設定碳化矽籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化矽單晶。

以上碳化矽單晶製備的整個固—氣—固反應過程都處於一個完整且密閉的生長腔室內，反應系統的各個參數相互耦合，任意生長條件的波動都會導致整個單晶生長系統發生變化，影響碳化矽晶體生長的穩定性；此外，碳化矽單晶在其結晶取向上的不同密排結構存在多種原子連接鍵結方式，從而形成200多種碳化矽同質異構結構的晶型，且不同晶型之間的能量轉換勢壘極低。

因此，在PVT單晶生長系統中極易發生不同晶型的轉化，導致目標晶型雜亂以及各種結晶缺陷等嚴重品質問題。故需採用專用檢測裝置檢測晶錠的晶型及各項缺陷。

依β-Ga2O3照晶體生長過程中原料狀態的不同，可將晶體生長方法分為：溶液法、熔體法、氣相法、固相法等。

熔體法是研究最早也是應用最廣泛的晶體生長方法，也是目前生長β-Ga2O3體塊單晶常用的方法。

透過熔體法可以生長高品質、低成本的β-Ga2O3體塊單晶，其中最常用的生長方法主要有兩種：提拉法和導模法。文章以導模法為例介紹，導模法（Edge-defined film-fed growth method）是一種重要的晶體生長方法，具有近尺寸生長、異形晶體生長、生長速度快、生長成本低等優點，是傳統提拉法（Czochralski method）的一種延伸和補充，實際操作中可以將傳統提拉法晶體生長爐改造後使用，常用於閃爍晶體材料、半導體晶體材料的生長。

導模法需要在坩堝中放置模具，晶體生長介面位於模具上表面。由於射頻線圈高頻電流的作用，使銥坩堝產生渦流而產生熱量。

高溫下，坩堝中的Ga2O3原料變成熔體，由於表面張力和浸潤作用，熔體沿著模具中的毛細管上升到模具上表面。

預先在籽晶桿上放置一枚籽晶，讓籽晶下降至接觸模具上的熔體表面，待籽晶表面稍熔後，提拉籽晶桿，使熔體在籽晶的誘導下結晶於籽晶上，最終生長出特定形狀的大塊單晶體。

第一步原料生成，將高純矽粉和高純度碳粉依製程配方均勻混合，在2,000℃以上的高溫條件下，於反應腔室內透過特定反應工藝，去除反應環境中殘餘的、反應微粉表面吸附的微量雜質，使矽粉和碳粉依照既定化學計量比反應合成特定晶型和顆粒度的碳化矽顆粒。

再經過破碎、篩選、清洗等工序，製得滿足晶體生長要求的高純度碳化矽粉原料。

第二晶體生長，在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化矽粉料，使其昇華產生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應氣體，透過固-氣反應產生碳化矽單晶反應源；由於固相昇華反應形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學計量比隨熱場分佈存在差異，需要使氣相組分依照設計的熱場和溫梯進行分佈和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結晶位置；

第三晶錠加工將碳化矽晶錠使用X射線單晶定向儀進行定向，之後以精密機械加工的方式磨平、滾圓，加工成標準直徑尺寸和角度的碳化矽晶棒。對所有成型晶棒進行尺寸、角度等指標檢測。

第四晶棒切割在考慮後續加工餘量的前提下，使用鑽石細線將碳化矽晶棒切割成滿足客戶需求的不同厚度的切割，並使用全自動測試設備進行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）、厚度變化（TTV）等面型檢測。

第五切割片研磨透過自有製程配方的研磨液將切割片減薄到相應的厚度，並且消除表面的線痕及損傷。使用全自動測試設備及非接觸電阻率測試器對全部切割片進行面型及電氣性能檢測。

第六研磨片拋光透過搭配比好的拋光液對研磨片進行機械拋光和化學拋光，用來消除表面刮痕、降低表面粗糙度及消除加工應力等，使研磨片表面達到奈米級平整度。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備，檢測碳化矽拋光片的各項參數指標，據此判定拋光片的品質等級。

第七拋光片清洗在百級超淨間內，透過特定配比的化學試劑及去離子水將清洗機內的拋光片清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒、金屬離子、有機玷汙物等，甩乾封裝在潔淨片盒內，形成可供客戶開盒即用的碳化矽基板。

圖三、碳化矽製備流程圖      註：圖片來源於巨浪資訊

與碳化矽半導體材料製備步驟類似，Ga2O3晶體襯底片加工包括退火、定向、切割、貼片、減薄、研磨、拋光和清洗，製程如下圖所示：

圖四、氧化鉀製備製程步驟      註：圖片來源北京銘鎵半導體官網

方法並無絕對的好壞優劣之分，只是適用情況、工藝繁簡有別，不管何種工藝也無論工藝是否過時，它都承載著研究人員的心血與付出，在一定程度上都是科技發展的具體載體，接下來的對比只是為了說明氧化鎵的製備成本可控，並無定性的指明孰優孰劣的意思。

氧化鎵成本可控可以反映在以下幾個方面：

第一，相較於碳化矽必須達到2,300℃以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化矽粉料，使其昇華產生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應氣體才能進一步生產，氧化鎵的導模法的實現條件就相對要求低了很多，其溫度要求低，而且不用使原料粉末昇華成氣體相對條件要求較低；

第二，相較於200多種碳化矽同質異構結構的晶型，且不同晶型之間的能量轉化勢壘極低的情況，氧化鎵的同質異構結構的晶體類型少了很多隻有幾種，這對於製備的可控性來說大大降低了難度，這也是為什麼氧化鎵的成本低於碳化矽的重要原因；

第三，相較於碳化矽製備的石墨坩堝等一次性損耗品來講，氧化鎵的坩堝雖然購置費用昂貴，但是可以實現循環利用，其平攤到每一次的製備成本當中是遠低於碳化矽的製備成本的，這又是氧化鎵成本低於碳化矽的一大原因。

眾所周知，在國家加強生態建設、碳中和、碳達峰的大環境下，材料製備無污染是一個比較值得關注的問題，氧化鎵相對比與第一二代半導體甚至是第三代是更環保的材料，如矽基製造中多個環節涉及環境污染，生產過程中將產生一定量的廢水、廢氣、固廢和噪音；碳化矽基板材料生產雖屬於重污染產業，但污染物廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣淨化廢水、倒角清洗廢水、研磨清洗廢水、機械拋光清洗廢水、生活污水等）、一般固廢（主要包括提純雜質、加工下腳料、生活廢棄物等）、危險廢棄物（主要包括廢研磨液、廢切削液、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣、有機廢氣等）、噪音等也存在，氧化鎵在這方面比第一二三代具備更環保的特色。

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我們都曾被一句「充電5分鐘，通話2小時」洗腦，又快又小的充電頭有誰不愛。

自從手機廠商在快充中用到了氮化鎵（GaN），這種第三代半導體材料幾乎成為快充標配。

在你剛用上氮化鎵製成的充電頭時，科學家與產業界便已瞄準更強的第四代半導體材料：氧化鎵（Ga2O3），它能創造出更強的充電頭。

目前國內超三分之二的半導體產品完全依賴進口，高端半導體材料更是遭遇卡脖子。但氧化鎵不同，這種新興材料在國內外均在產業化前夜，我們有突破和超越的潛力，因此值得重點關注。

本文關注氧化鎵國產替代。在本文中，你將瞭解到：氧化鎵是什麼，氧化鎵從製備到裝置，氧化鎵市場情況。

第四代半導體材料有不少“潛力股”，但其中氮化鋁（AlN）和鑽石仍面臨大量科學問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導體碳化矽（SiC）和氮化鎵（ GaN）之後最具市場潛力的材料，很有可能在未來10年左右稱霸市場。

氧化鎵有5種同分異構體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩定，當加熱至1000℃或水熱條件（即濕法）加熱至300℃以上時，其他所有亞穩相的異構體都會被轉換為β相異構體。 [1]

β相氧化鎵材料是目前半導體界研究最多，也是離應用最近的材料，目前產業化均以β相氧化鎵為主，下文討論內容也均指涉β相氧化鎵。

β相氧化鎵的熔點為1820 ℃，其粉末呈白色三角形結晶顆粒，密度為5.95g/cm3，不溶於水[2]。其單晶具有一定的電導率，不易被化學腐蝕，且機械強度高，高溫下性能穩定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其在紫外和藍光區域透明，這是傳統的透明導電材料所不具備的優點。 [3]

氧化鎵不同同分異構體具體參數，製表丨果殼硬科技

氧化鎵各同分異構體相互轉換關係，圖源丨《物理學報》[4]

氧化鎵天資卓越，材料屬性天生麗質，出生就註定能成為市場熱捧。它擁有超寬帶隙（4.2~4.9eV）、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、較短的吸收截止邊及超強的透明導電性等優異的物理性能。氧化鎵裝置的導通特性幾乎是於碳化矽（SiC）的10倍，理論擊穿場強是碳化矽的3倍以上。

不止如此，它的化學和熱穩定性也較為良好，同時能以比碳化矽和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高品質、可摻雜的塊狀單晶。

第一代~第四代半導體材料特性對比，製錶丨果殼硬科技

隨著數位化、智慧化的時代到來，半導體產業的熱度不斷高漲。尤其是量子資訊和人工智慧等高科技領域的快速發展，推動了半導體以及多功能裝置技術的快速更新和迭代。為適應高性能、低成本的要求，業界將目光投向了第四代半導體，而最受矚目的莫過於氧化鎵。

憑藉一系列優異的材料特性，氧化鎵有望改變目前的復合半導體市場，讓國內的晶片廠商實現彎道超車。但氧化鎵材料仍面臨許多挑戰，本文就其優勢、挑戰和市場前景作了較為詳盡的闡述。

中國於2023年8月1日起，對半導體原料的鎵、鍺實施嚴格的出口限制。業界對此意見不一，許多人將此舉視為對荷蘭ASML公司加大光刻機出口限制的反應。然而，2022年8月美國在對中國的出口禁令中，也包括了一種高純度半導體材料－氧化鎵。美國商業部的工業安全管理局（BIS）宣佈對耐高溫耐高壓的四代半導體材料－氧化鎵和鑽石，還有專為3nm及以下晶片設計而生的ECAD軟體，都納入了出口管制範圍。

當時並沒有太多人注意到這一點，但一年之後，中國對鎵進行了出口控制，這引起了業界對第四代半導體關鍵原料的重視。在半導體產業中，鎵和鍺是一種重要的原料，在第一代到第四代半導體中都有應用。在摩爾定律面臨瓶頸的今天，具有更大禁頻寬度的半導體材料如鑽石、氧化鎵、AlN及BN等，其優異的物理性能有可能成為下一代資訊技術的驅動力。

對中國來說，半導體技術的發展已經到了一個非常重要的階段，尤其是美國的各種制裁，更是讓這項技術的突破發展變得極為關鍵。雖然面臨著巨大的挑戰，但只要我們能夠在這場半導體技術革命中取得勝利，中國就有可能從“製造大國”變成“製造強國”，從而迎來一個世紀以來最大的變革。它既是中國科學技術實力的一次大檢驗，也是向世人展示中國應對世界科學技術挑戰的好機會。

氧化鎵，這種第四代半導體材料，具備禁頻寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性好等優點。氧化鎵有五種已確認的結晶形態，其中最穩定的是β-Ga2O3。其禁頻寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強高達8 MV/cm，而其導通電阻比SiC、GaN低得多，大大降低了裝置的導通損耗。其特性參數巴利加優質（BFOM）高達3400，約為SiC的10倍、GaN的4倍。

圖：依照禁頻寬度排序的半導體材料

相較於碳化矽和氮化鎵，氧化鎵的生長過程可以使用常壓下的液態熔體法，這使得其品質高、產量大且成本低。但SiC、 GaN等材料因其特殊性質，目前僅能採用氣相法製備，且需維持較高的溫度、較高的能耗。這意味著，在生產上，氧化鎵會佔據一定的成本優勢，而國內的工廠也會迅速擴大產能。

與SiC相比， 氧化鎵在各方面都優於SiC。特別是其較大的禁頻寬度和較高的擊穿場強，使得它在高功率和高頻率應用中具有顯著優勢。

氧化鎵的發展前景日益凸顯，該市場目前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia兩大巨頭壟斷。 NCT自2012年開始投入氧化鎵的研發，成功突破多項關鍵技術，包括2吋氧化鎵晶體與外延技術，以及氧化鎵材料的量產等。其高效性與高性能受到了業界的廣泛認可。其在2021年成功量產4吋氧化鎵晶圓，並已開始供應客戶晶圓，為日本在第三代化合物半導體競賽中再度保持領先。

根據NCT預測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量成長，到2030年度將擴大到約30.2億元人民幣規模。 FLOSFIA預測，到2025年，氧化鎵功率元件市場規模將開始超過氮化鎵，2030年將達到15.42億美元（約100億元），佔碳化矽的40%，是氮化鎵的1.56倍。根據富士經濟的預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規模將達到1,542億日圓（約92.76億元），將超過氮化鎵功率元件的市場規模。這種趨勢反映了氧化鎵在功率電子裝置中的重要性及其未來的潛力。

全球功率元件市場和氧化鎵功率元件市場規模（百萬美元），資料來源：FLOSFIA

在一些特定應用領域，氧化鎵有著巨大的優勢。在功率電子領域，氧化鎵功率元件與氮化鎵、碳化矽有部分重合，軍用領域主要應用於高功率電磁炮、戰車戰機艦艇等電源控制系統以及抗輻照、耐高溫太空航用電源等。民用領域則主要應用於電網、電力牽引、光電、電動車、家用電器、醫療裝置及消費性電子等領域。

圖：日本FLOSFIA公司的氧化鎵功率元件市場策略，資料來源：FLOSFIA

能源車市場也為氧化鎵提供了巨大的應用場景。然而，國內在車規級功率元件方面一直很薄弱，目前尚無車規的SiC MOS IDM。雖然有幾家在XFab代工的Fabless企業可以快速具備較為全面的SBD和MOS規格推向市場，銷售和融資進展較為順利，但是未來仍要自建FAB 形成IDM掌握產能、研發獨有工藝，才能產生差異化的競爭優勢。

充電樁對成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機會。如果能滿足甚至超過性能需求的同時，以成本優勢獲得市場的認可，那麼氧化鎵在這個領域的應用就有很大的可能性。

在射頻元件市場，氧化鎵的市場容量可參考碳化矽外延氮化鎵裝置的市場。新能源汽車的核心是逆變器，對裝置的規格要求非常高。目前，有意法半導體、日立、安森美、Rohm等企業能夠量產供應車規級SiC MOSFET。預計到2026年，這一數字將增長至22.22億美元（約150億元），顯示氧化鎵在射頻元件市場具有廣闊的應用前景和市場潛力。

電力電子領域的另一個重要應用是48V電池。隨著鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統取代鉛蓄電池12V電壓系統，達到高效率、減重、節能的目的。這些鋰電池系統內將廣泛採用48V電壓，對於電子電力系統來說，所需的是高效率的48V→12V/5V轉換。以二輪電動車市場為例，根據2020年的資料顯示，中國電動兩輪車整體產量為4,834萬輛，年增27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對這樣的市場，氧化鎵、GaN和矽基SG-MOS元件等100V耐壓大電流元件正在瞄準這個應用發力。

在工業領域，它有幾大機會和優勢，包括單極替換雙極，更高的能源效率，易於大規模生產，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來的電力應用中可能扮演重要角色。長期來看，氧化鎵的功率裝置預計將在650V/1200V/1700V/3300V的市場中發揮作用，並預計在2025年至2030年將全面滲透車載和電氣裝置領域。短期來說，氧化鎵的功率元件將首先在消費性電子、家電以及高可靠、高性能的工業電源等領域出現。它的這些特性可能使其在矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料之間形成競爭。

筆者認為，未來幾年氧化鎵的競爭焦點將集中在400V平台的常規使用650V裝置領域。這個領域的競爭將涉及開關頻率、能量損耗、晶片成本、系統成本、和可靠性等多個因素。然而，隨著技術的進步，平台可能升級為800V，這將需要使用1200V或1700V裝置，這已經是SiC和Ga2O3的優勢領域。在這個競爭中，新創公司有機會透過與客戶深入溝通，建立場景認知、車規體系和客戶心智，為向車企客戶逆變器應用奠定堅實基礎。

總的來說，氧化鎵在功率元件領域有很大的潛力，能夠在多個領域與SiC、GaN等材料競爭，滿足高效能、低能耗、高頻和高溫等高效能應用的需求。但是，新材料在逆變器和充電器等應用上的滲透需要時間，需要不斷進行面向特定應用的適合規格的開發，並逐步向市場推廣。

圖：國內外氧化鎵MOSFET元件進展    來源：晟光矽研

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一文看懂第四代半導體，以及關鍵材料“氧化鎵”

第四代半導體已出現丨氧化鎵能取代碳化矽？