（2）Novel Crystal Technology（以下簡稱NCT）
NCT成立于2015年，公司所采用的方案是基于HVPE生長的GaO平面外延芯片，他們的目標(biāo)是加快超低損耗、低成本β相GaO功率器件的產(chǎn)品開發(fā)。
資料顯示，NCT已經(jīng)成功開發(fā)，制造和銷售了直徑最大為4英寸的氧化鎵晶片。而在2017年11月，NCT與田村制作所（Tamura Corporation）合作成功開發(fā)了世界上第一個由氧化鎵外延膜制成的溝槽型MOS功率晶體管，其功耗僅為傳統(tǒng)硅MOSFET的1/1000。
圖：氧化鎵溝槽MOS型功率晶體管的示意圖(NCT官網(wǎng))
按照他們的規(guī)劃，從2019財年下半年開始，NCT將開始提供擊穿電壓為650V的β相GaO溝槽型SBD的10-30A樣品。他們還打算從2021年開始推進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作。公司還致力于快速開發(fā)100A級別的β相GaO功率器件。
此外，日本早稻田大學(xué)采用FZ法生長出β-Ga2O3單晶。在單晶生長過程中通入適量O2抑制β-Ga2O3分解，晶體生長速度為1～5mm/h，直徑最大為2.54cm，長度約為50mm。
2、美國
（1）空軍研究室（AFRL）
美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領(lǐng)導(dǎo)的團隊探索了GaO材料的特性，結(jié)果顯示，GaO材料的速度和高臨界場強在快速功率開關(guān)和射頻功率應(yīng)用中具有顛覆性的潛力。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的GaO研究基礎(chǔ)，獲得了首批樣品。
圖：AFRL制作的2英寸帶有GaN外延層的Synoptics 氧化鎵晶體管（Compound Semiconductor）
此后，Kelson Chabak接任團隊負(fù)責(zé)人，他們從唯一的商業(yè)供應(yīng)商Tamura采購了襯底，并聯(lián)系了Tamura投資的NCT購買外延片，同時也從德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）采購?fù)庋悠?br />
Chabak表示：“我們之所以能夠成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，是因為我們能夠盡早獲得材料”。
AFRL在2016年報告了一個有IKZ外延片制作的MOSFET，該器件在0.6um的G-S漂移區(qū)內(nèi)承載電壓高達(dá)230V，意味著平均臨界場強達(dá)到了3.8MV/cm，大約是4倍于GaN的臨界場強，成為了“燎原之火”。
更重要的是，Chabak指出GaO的低熱導(dǎo)率并不會阻礙其成為主流射頻功率器件的因素，并用一些模型證明了倒裝芯片技術(shù)和背面減薄技術(shù)相結(jié)合，可以讓器件熱阻達(dá)到接近SiC的水平。
AFRL目前致力于在短期內(nèi)突破電子束光刻技術(shù)引入到制程工藝中，并將晶體管的尺寸降到um以下，這樣將可使器件具備非常高的速度和擊穿電壓，成為快速開關(guān)應(yīng)用的有力競爭產(chǎn)品。
AFRL正在試圖突破GaO外延技術(shù)，并且資助了諾格公司的子公司Synoptics開發(fā)GaO的襯底生長技術(shù)，當(dāng)各個環(huán)節(jié)具備之后，美國將是第二個徹底實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化的國家。
（2）美國紐約州立大學(xué)布法羅分校（UB）
據(jù)外媒報道，2020年4月，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校（the University at Buffalo）正在研發(fā)一款基于氧化鎵的晶體管，能夠承受8000V以上的電壓，而且只有一張紙那么薄。該團隊在2018年制造了一個由5微米厚（一張紙厚約100微米）的氧化鎵制成的MOSFET，擊穿電壓為1,850 V。該產(chǎn)品將用于制造更小、更高效的電子系統(tǒng)，應(yīng)用在電動汽車、機車和飛機上。
3、德國
關(guān)于德國開展氧化鎵研究的報道較少，目前僅看到德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）2009年開始研發(fā)和生長GaO晶體，使用提拉法，采用銥金坩堝，包括活動的銥金后加熱器，生長出的晶體直徑為2英寸，長度為40～65mm，晶體的結(jié)晶特性較好。此外，其也為美國AFRL供應(yīng)了GaO外延片。
4、中國
我國其實開展氧化鎵研究已經(jīng)十余年，但是直到近年來46所的技術(shù)突破才實現(xiàn)了距離產(chǎn)業(yè)化“一步之遙”，從公開資料能了解到目前從事GaO材料和器件研究的單位和企業(yè)，主要是中電科46所、西安電子科技大學(xué)、上海光機所、上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)等高校及科研院所，科技成果轉(zhuǎn)化的公司有北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)。國內(nèi)團隊未見關(guān)于GaO MOS的報道。
（1）中電科46所
據(jù)觀察者網(wǎng)在2019年2月的報道，中國電科46所經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長技術(shù)探索，通過改進(jìn)熱場結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生長過程中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導(dǎo)模法成功在2016年制備出國內(nèi)第一片高質(zhì)量的2英寸氧化鎵單晶，在2018年底制備出國內(nèi)第一片高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。報道指出，中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm，總長度達(dá)到250mm，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。這也是目前為止國內(nèi)唯一能夠達(dá)到該尺寸的記錄保持者。
（2）西電大學(xué)/微系統(tǒng)所
據(jù)中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所報道，在2019年12月，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學(xué)郝躍課題組教授韓根全攜手，在氧化鎵功率器件領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬能離子刀”智能剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，首次將晶圓級β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導(dǎo)熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，并制備出高性能器件。報道指出，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領(lǐng)域具有里程碑式的重要意義。首先，異質(zhì)集成為GaO晶圓散熱問題提供了最優(yōu)解決方案，勢必推動高性能GaO器件研究的發(fā)展；其次，該研究將為我國GaO基礎(chǔ)研究和工程化提供優(yōu)質(zhì)的高導(dǎo)熱襯底材料，推動GaO在高功率器件領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。
（3）復(fù)旦大學(xué)
在2020年6月，復(fù)旦大學(xué)方志來團隊在p型氧化鎵深紫外日盲探測器研究中取得重要進(jìn)展。報道表示，方志來團隊采用固-固相變原位摻雜技術(shù)，同時實現(xiàn)了高摻雜濃度、高晶體質(zhì)量與能帶工程，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問題。
（4）北京鎵族科技
資料顯示，北京鎵族科技有限公司成立于2017年年底，是國內(nèi)首家、國際第二家專業(yè)從事第四代（超寬禁帶）半導(dǎo)體氧化鎵材料開發(fā)及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的高科技公司，是北京郵電大學(xué)的唐為華老師從2011年以來致力于氧化鎵材料及器件形成科研成果的產(chǎn)業(yè)化平臺。
公司研發(fā)和生產(chǎn)基于新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵的高質(zhì)量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件、高頻大功率器件，已與合作單位一起已經(jīng)實現(xiàn)1000V耐壓的肖特基二極管模型制作，并已經(jīng)實現(xiàn)5000V耐壓的MOSFET模型制作，開發(fā)出氧化鎵基日盲紫外探測器分立器件和陣列成像器件，為深紫外光電器件提供了良好解決方案，可支持極弱火焰和極弱電弧實時檢測等，并已推出系統(tǒng)化模塊。公司已申請40余項專利，完成了產(chǎn)業(yè)中試的前期技術(shù)、人員、軟硬件等量產(chǎn)化要求的所有準(zhǔn)備工作。公司擁有廠房面積1500平米，涵蓋完整的產(chǎn)業(yè)中試產(chǎn)線，具備研發(fā)和小批量生產(chǎn)能力，初步構(gòu)建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質(zhì)/同質(zhì)外延襯底生產(chǎn)和研發(fā)平臺。未來將不斷完善晶體生長、晶體加工、外延薄膜性能測試、微納加工、聯(lián)合研發(fā)等六大平臺搭建。
（5）杭州富加鎵業(yè)
據(jù)官網(wǎng)信息，公司成立于2019年12月，注冊資金500萬，是由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所與杭州市富陽區(qū)政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業(yè)。
富加鎵業(yè)專注于寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)，公司核心創(chuàng)始人具有中科院博士、劍橋大學(xué)博士等材料領(lǐng)域的深厚背景，團隊成員主要來自中國科學(xué)院、美英海歸等業(yè)內(nèi)資深人才，研發(fā)人員中碩士以上比例達(dá)到80%；公司廠房面積八千余平米，擁有多臺大尺寸導(dǎo)模法晶體生長爐、多氣氛晶體退火爐、高精密拋光機等儀器設(shè)備，為公司的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支撐和持續(xù)創(chuàng)新動力硬件保證。
富加鎵業(yè)最初技術(shù)來源于中科院上海光機所技術(shù)研發(fā)團隊，該團隊是我國最早從事氧化鎵晶體生長的團隊，從04年開始即開展研究。富加鎵業(yè)專業(yè)從事氧化鎵單晶材料設(shè)計、模擬仿真、生長及性能表征等工作，形成了較鮮明的特色和優(yōu)勢。我們注重知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和氧化鎵相關(guān)基礎(chǔ)探索研究工作，在全球范圍內(nèi)對氧化鎵晶體材料生長及上下游應(yīng)用領(lǐng)域的專利進(jìn)行布局，申請進(jìn)入歐盟、美國、日本、韓國、新加坡等國家。團隊的氧化鎵晶體材料及器件基礎(chǔ)研究成果，多篇科研論文已發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊上，與全球科研工作者共享最新研究成果，共同推動全球第四代半導(dǎo)體相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。
（6）其他
山東大學(xué)采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法研究了β相GaO薄膜的生長及其光學(xué)性質(zhì)。北京郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)、中山大學(xué)也分別獨立開展了β相GaO薄膜及日盲紫外探測器的研究，已取得了一些重要的研究成果，但基本未見在晶體材料方面的相關(guān)報道。
5、其他
印度的Raja Ramanna先進(jìn)技術(shù)中心采用類似EFG的方法，生長出直徑5～8mm、長度40～50mm的低缺陷β相GaO單晶，（400）面XRC半高寬約為0.028°。
葡萄牙圣地亞哥大學(xué)采用激光加熱浮區(qū)法生長出了離子摻雜和非摻的低缺陷β相GaO晶體光纖。
隨著電動車和便攜式用電的需求成為主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已經(jīng)明顯在第四代半導(dǎo)體的氧化鎵材料方面處于領(lǐng)先優(yōu)勢，日本半導(dǎo)體界也將GaO作為日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“復(fù)興的鑰匙”，已在國內(nèi)掀起研發(fā)和應(yīng)用的熱潮。與此同時，美國、中國、歐洲等也正在試圖追趕，可以想到的是，美日雙方從材料供應(yīng)到技術(shù)合作必然要比中日合作更加深入，這場功率器件競賽已然拉開帷幕，而中國將可能獨自前行。
四、功率半導(dǎo)體的行業(yè)特征適合氧化鎵器件的爆發(fā)式增長
功率半導(dǎo)體用于所有電力電子領(lǐng)域，市場成熟穩(wěn)定且增速緩慢。但是，業(yè)界對于更大功率（充放電更快）、更高效節(jié)能（減少發(fā)熱更安全環(huán)保）、更小體積和重量（更便攜易安裝維護(hù)）以及更低成本（更廣闊的應(yīng)用和市場）的追求是永無止境的。因此近年來，新能源汽車、可再生能源發(fā)電、變頻家電、快充等新應(yīng)用領(lǐng)域迎來了新的巨大增長點。
①行業(yè)特征一：不需要追趕摩爾定律，一般使用0.18~0.5um制程即可，倚重材料質(zhì)量，對材料和器件的生產(chǎn)工藝要求高，因整體趨向集成化、模塊化，需要開發(fā)新的封裝設(shè)計。
l 設(shè)計環(huán)節(jié)：功率半導(dǎo)體電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要像數(shù)字邏輯芯片在架構(gòu)、IP、指令集、設(shè)計流程、軟件工具等投入大量資本。
l 制造環(huán)節(jié)：因不需要追趕摩爾定律，產(chǎn)線對先進(jìn)設(shè)備依賴度不高，整體資本支出較小。
l 封裝環(huán)節(jié)：可分為分立器件封裝和模塊封裝，由于功率器件對可靠性要求非常高，需采用特殊設(shè)計和材料，后道加工價值量占比達(dá)35%以上，遠(yuǎn)高于普通數(shù)字邏輯芯片的10%。目前，根據(jù)在研項目和產(chǎn)品布局看，國內(nèi)企業(yè)開始向價值量更高的中高端產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。
②行業(yè)特征二：功率半導(dǎo)體行業(yè)一般采用IDM模式，更適合企業(yè)做大做強。上游的襯底、外延企業(yè)雖可以成為單獨環(huán)節(jié)，但如特征一所述，工藝占比很高，芯片設(shè)計和制造環(huán)節(jié)是要集成在一起的，否則將喪失技術(shù)進(jìn)步的能力，并且產(chǎn)能受到限制，因此委外代工僅可作為低端產(chǎn)品的產(chǎn)能補充。
③行業(yè)特征三：新能源車等新興應(yīng)用不斷推動新半導(dǎo)體材料興起。
氧化鎵單晶材料在功率電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括：電動汽車、光伏逆變器、高鐵輸電、軍用電磁軌道炮、電磁彈射、全電艦艇推進(jìn)等；除此之外，氧化鎵自身即有不錯的射頻特性，當(dāng)前由于低成本及與GaN的低失配的特性，還可用于GaN材料的外延襯底，GaN及HEMT具有功率密度高、體積小、可工作在40GHz等優(yōu)點，是5G基站攻略放大器的首選材料。因此，5G行業(yè)的迅速發(fā)展也將帶動氧化鎵單晶襯底產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。
新能源、5G等新興應(yīng)用加速第三代和第四代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化需求，我國市場空間巨大且有望在該領(lǐng)域快速縮短和海外企業(yè)的差距。
①天時：第四代材料在高功率、高頻率應(yīng)用場景具有配合第三代半導(dǎo)體取代硅材的潛力，行業(yè)整體都處于產(chǎn)業(yè)化起步階段。
②地利：受下游新能源車、5G、快充等新興市場需求以及潛在的硅材替換市場驅(qū)動，目前深入研究和產(chǎn)業(yè)化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術(shù)儲備較弱，真正有技術(shù)的公司面對的競爭壓力小。
③人和：第四代半導(dǎo)體核心難點在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價值，可獲得國家在政策和資金方面的大力支持。
五、我國發(fā)展氧化鎵的機遇與挑戰(zhàn)
從Yole的報道中可以看出，綠色線代表的GaO尺寸以前所未有的斜率快速增長，這得益于其材料可以通過上文提到的液相法進(jìn)行生長，且已經(jīng)接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。
硅基材料經(jīng)過了50年的發(fā)展，達(dá)到了目前的12寸。
SiC材料的最大尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的美國Cree公司所推出的8英寸襯底樣品，其尚未導(dǎo)入大規(guī)模商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)界剛剛準(zhǔn)備規(guī)模化生產(chǎn)基于6英寸襯底的功率器件。
由于國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展，業(yè)界基于8英寸硅基GaN的功率電子器件發(fā)展相對較快。
如此看來，GaO很有可能在尺寸方面，即大規(guī)模制造的可能性和成本方面對上述造成后來者居上的威脅。
圖：GaO與SiC成本對比（EE POWER）
成本方面，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于GaO材料的器件成本為195美金，是SiC材料器件成本的約五分之一，已與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。
目前我國正在大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體SiC和GaN，對GaO剛剛開始關(guān)注，產(chǎn)業(yè)界、投資界對這種材料的特性和應(yīng)用還未像前兩種材料一樣熟稔，有了解者也想當(dāng)然認(rèn)為SiC和GaN發(fā)展了數(shù)十年才達(dá)到現(xiàn)在的規(guī)模，那么GaO勢必也還需要十年甚至數(shù)十年的發(fā)展才能大規(guī)模應(yīng)用。這樣的想法可能會導(dǎo)致我們失去國內(nèi)技術(shù)和市場發(fā)展的先機。
六、縮寫
NICT：日本國立信息通信技術(shù)研究所National Institute of Information and Communications Technology
NCT：新奇晶體技術(shù)公司Novel Crystal Technology
IKZ：德國萊布尼茨晶體生長研究所
AFRL：美國空軍研究實驗室Air Force Research Laboratory
Tamura：日本田村制作所
參考文獻(xiàn)
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2.Gallium oxide power device firm gets £5m in second-round funding（Electronics Weekly）
3.AFRL: Breaking Records With Gallium Oxide（Compound Semiconductor）
4.Gallium Oxide’s Glorious Potential（Compound Semiconductor）
5.Gallium Oxide Could Have Lower Cost than SiC, NREL Analysis Reveals（EE POWER）
6.Gallium Oxide: Power Electronics’ Cool New Flavor（IEEE）
7.2020年半導(dǎo)體將很有趣（PC.Watch）
8.FLOSFIA和GaO半導(dǎo)體的溝道遷移率超過SiC(Flosfia)
9.什么是Mist Dry方法？(Flosfia)
10.成功使用氧化鎵外延膜開發(fā)了世界上第一個溝槽式MOS型功率晶體管(NCT)
11.碳化硅（SiC）：功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展新機遇（第三代半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)新孵化中心）
來源：宇文戩 進(jìn)化半導(dǎo)體材料有限公司 集微網(wǎng)
