国内第一！这颗6英寸氧化镓单晶击碎“卡脖子”

昨（27）日，中国电子科技集团有限公司（中国电科）宣布，近日，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。

Source：拍信网

01

中国电科46所

成功制备6英寸氧化镓单晶

氧化镓，是继Si、SiC及GaN后的第四代宽禁带半导体材料，以β-Ga2O3单晶为基础材料的功率器件具有更高的击穿电压与更低的导通电阻，从而拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率，在功率电子器件方面具有极大的应用潜力。

但因具有高熔点、高温分解以及易开裂等特性，大尺寸氧化镓单晶制备极为困难。

中国电科46所氧化镓团队聚焦多晶面、大尺寸、高掺杂、低缺陷等方向，从大尺寸氧化镓热场设计出发，成功构建了适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构，突破了 6 英寸氧化镓单晶生长技术，具有良好的结晶性能，可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制，将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。

02

氧化镓VS碳化硅

以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体材料，凭借耐高温、抗高压、开关速度快、效率高、节能、寿命长等特点，近年来被国内外相关企业持续关注和布局。

目前，宽禁带半导体发展势头正猛，超禁带半导体也悄然入局。氧化镓（Ga2O3）作为第四代半导体的代表，被视为“替代碳化硅和氮化镓”的新一代半导体材料。

氧化镓相对于碳化硅，具备超宽禁带宽度（4.2~4.9eV）、高相对介电系数、超高临界击穿场强（8MV/cm）、较短的吸收截止边及超强的透明导电性等优异的物理性能。氧化镓器件的导通特性几乎是于碳化硅的10倍，理论击穿场强是碳化硅的3倍多。

此外，它的化学和热稳定性也较为良好，同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。

但另一方面，氧化镓的迁移率和导热率低，不及碳化硅和氮化镓，可能受到自热效应影响，从而导致设备性能下降；氧化镓实现p型掺杂难度较大，难以制造p型半导体，成为实现高性能器件的主要障碍。

03

氧化镓成击碎“卡脖子”的新机遇？

未来，氧化镓主要应用于通信、雷达、航空航天、高铁动车、新能源汽车等领域的辐射探测领域的传感器芯片，以及在大功率和超大功率芯片。

目前，各国半导体企业都在争相布局氧化镓，但均在产业化前夜。氧化镓或许可以成为突破“卡脖子”的机遇。

国际方面，日本较为领先。早在2008年，京都大学的藤田教授就发布了氧化镓深紫外线检测和SchottkyBarrier Junction、蓝宝石（Sapphire）晶圆上的外延生长（Epitaxial Growth）等研发成果。

2012年，日本率先实现2英寸氧化镓材料的突破，NCT氧化镓材料尺寸可达到6英寸；2015年，推出了高质量氧化镓单晶衬底，2016年又推出了同质外延片，此后基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现，各国开始争相布局。

国内方面，2017年，科技部高新司从出台的重点研发计划，把“氧化镓”列入到其中；2018年，北京市科委对前沿新材料率先开展了研究工作，并且把“氧化镓”列为重点项目。

据了解，目前我国从事氧化镓材料和器件研究单位，主要是中电科46所、西安电子科技大学、山东大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学等高校及科研院所；企业方面有铭镓半导体、深圳进化半导体、北京镓族科技、杭州富加镓业等。

中国电科46所分别于2016年和2018年相继制备出了国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶和4英寸氧化镓单晶。

2022年3月，中国电科46所再次成功研制出拥有自主知识产权的高耐压性能半导体材料——HVPE氧化镓同质外延片，填补了国内技术空白。

同年12月，铭镓半导体使用导模法成功制备了高质量4英寸（001）主面氧化镓（β-Ga2O3）单晶，完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破。（文：化合物半导体市场 Amber）