張孝榮
過去，氧化鎵主要用于LED和基板等，最近十年，研究人員發現，氧化鎵還有更優秀的特性，能承受巨大的電壓而不被擊穿，作為功率半導體非常合適。而近兩個月的一則新聞，將氧化鎵推到了輿論的風口浪尖。
近兩個月，氧化鎵，這個少有人關注的化學名詞站到輿論的風口浪尖。這個本來還基本上處于實驗室階段的半導體材料，竟然成為大國科技競爭的武器，甚至引發“卡脖子”擔憂，一時間輿論嘩然。
但事實上，憂慮大可不必，我們反而可以舒一口氣，氧化鎵很可能會成為我國產業發展的加速器，而非絆腳石。氧化鎵管制給出了一個很好的提示，在激烈的國際競爭中，大國需要設法構建氧化鎵優勢。
01
氧化鎵的前世今生
氧化鎵是一種透明的無機化合物，別名三氧化二鎵，是一種超寬禁帶半導體，Eg=4.9eV，導電性能和發光特性優異。
但氧化鎵并不是一種新發現的材料，關于氧化鎵的研究已有近70年歷史。1952年，科學家們就發現了它的5種變體α、β、γ、δ和ε，其中β-氧化鎵更穩定。
過去，氧化鎵主要用于LED（發光二極管）和基板等，最近十年，研究人員發現，氧化鎵還有更優秀的特性，能承受巨大的電壓而不被擊穿，作為功率半導體非常合適。
日本國家信息與通信技術研究所（NICT）發現了其潛力，2012年，NICT使用β-氧化鎵制造了一種名為“金屬半導體場效應晶體管”的開關器件。這種晶體管在距離僅有600納米的情況下，可以承受近200V的高電壓而不被擊穿，這是世界第一顆氧化鎵功率器件，震動了整個半導體界。隨后幾年里，這個電壓迅速提升到750V，相對其他材料，氧化鎵表現相當出色。當然，科學家堅信，氧化鎵有更強大的性能，遠遠不是現在這點成績。
為了更好地推進研究，2015年6月，NICT和田村制作所，合作投資成立了氧化鎵產業化企業“Novel Crystal Technology”，這就是大名鼎鼎的“NCT”。與NCT同時研究氧化鎵的還有源于日本京都大學的FLOSFIA公司。2017年，FLOSFIA實現了另外一種氧化鎵（α相）材料的突破，雖然β-氧化鎵更為穩定，但α-氮化鎵擁有更好的禁帶寬度，達到5.1eV到5.3eV。
2018年，日本NCT實現了4英寸氧化鎵材料的突破，日本FLOSFIA實現了α-氧化鎵外延材料的批量化生產，2019年日本另一家研究機構田村實現4英寸氧化鎵的批量產業化。
時至今日，日本氧化鎵產業涌現出了好幾家明星機構，其中以NCT和FLOSFIA最為亮眼，這兩家公司堪稱日本氧化鎵“雙雄”，在氧化鎵研究上，常常你追我趕，幾乎不分上下。
為保持領先優勢，2020年，日本經濟產業?。∕ETI）重金加碼，為氧化鎵的研發提供政府支持。據日本媒體報道，METI計劃為致力于開發新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業和大學提供財政支持。報道指出，METI將為第2年留出大約2030萬美元的資金資助相關企業，預計未來5年的資助規模將超過8560萬美元。
02
氧化鎵會卡住電動車的脖子
對電動車而言，氧化鎵主要用于做功率半導體。2022年8月，據日經新聞報道，日本公司FLOSFIA將在2022年內量產電動車使用的氧化鎵功率半導體，預計到2023年夏季達到月產數十萬件的產能。FLOSFIA公司稱，與當前的半導體器件相比，這些器件可以將功率損耗降低70%。
功率半導體是電動車上的核心部件之一，既可用于逆變器，將電池里的直流電轉換為驅動電機運轉的交流電；也可以用于充電器，將充電時的電流由交流電轉換為直流電。
對于逆變器而言，氧化鎵的存在可以更好地減少電能轉換耗損，大幅度降低功率耗損，這意味著同樣的電能，氧化鎵逆變器可以保證更長的續航。對于充電器而言，承載電壓越大，輸入電池的電能越多，氧化鎵充電器意味著充電時間的減少。而在高耐壓性方面，氧化鎵堪稱卓越。
在氧化鎵功率半導體問世之前，市面上流行的是第三代半導體材料，如果換用氧化鎵，可以更加耐熱且高效、成本更低，體積還可以更小，應用范圍更廣。2018年，特斯拉率先在Model3電驅主逆變器上采用了意法半導體供應的650V碳化硅MOSFET器件，得到了良好的車輛反饋數據，由此引發熱潮。碳化硅屬于第三代半導體材料，業內普遍認為，氧化鎵有望替代碳化硅成為新一代汽車功率半導體材料的代表。
另外，氧化鎵還有更強的高耐壓能力。在第三代半導體材料中，氮化鎵適用于1000V以下的中低壓市場，碳化硅適用于650V以上的中高壓市場。2020年6月份發表在美國《IEEE電子器件通訊》雜志上的一項研究論文顯示，薄型氧化鎵晶體管可承受8000V以上的電壓，考慮到它的厚度只有一張紙那么薄，媒體評論說這是一個令人印象深刻的壯舉。
現在的電動車充電樁主要是380V和220V，遠遠不能滿足市場需要，未來需要推進采用800V甚至更高的電壓平臺架構。由此，氧化鎵就成了重中之重。
03
各國爭霸
與舊材料相比，氧化鎵性能更強，成本更便宜，不僅可廣泛用于新能源領域，還可用于日盲紫外探測器，在導彈跟蹤、火災預警和深空探測等諸多關鍵應用場景中發揮著重要作用。
雖然目前還處于研發階段，氧化鎵可謂是吸引了世界的廣泛關注，日韓美歐紛紛布局。日本公司一開始就朝著主要向大尺寸、高品質、低成本等方向努力，率先做出產業化成果。
日前，NCT與日本酸素控股旗下的大陽日酸、東京農工大學合作實現了氧化鎵功率半導體的6英寸成膜，突破了只能在最大4英寸晶圓上成膜的技術瓶頸，此技術有望把成本降至碳化硅功率半導體的1/3。
美國空軍研究室（AFRL）在2012年注意到了日本NICT的成功，隨后建立了美國的氧化鎵研究基礎，獲得了首批樣品。
2020年4月，美國紐約州立大學布法羅分校宣稱他們正在研發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1850V。該產品將用于制造更小、更高效的電子系統，應用在電動汽車、機車和飛機上。
2022年4月，韓國30家半導體企業、大學以及研究所組建了碳化硅產業聯盟，目的是應對急速增長的碳化硅、氮化鎵、氧化鎵等寬禁帶半導體所引領的新型功率半導體市場。
另外，德國萊布尼茨晶體生長研究所、法國圣戈班等全球企業、科研機構也加入了氧化鎵材料及器件研發的浪潮中。
04
中國的突破
氧化鎵得到了國家有關部門的關注。2022年我國科技部將氧化鎵列入“‘十四五’重點研發計劃”，設立有《大尺寸氧化鎵半導體材料與高性能器件研究》專項，正在有條不紊地推進氧化鎵科技攻關進程。此前，2017年9月，氧化鎵被科技部列入重點研發計劃；2018年3月，北京市科委率先開展了前沿新材料的研究，把氧化鎵列為重點項目。此外，安徽等地區也在“十四五”科技創新規劃公布的集成電路重大專項中提出，研發氧化鎵等寬禁帶半導體材料、工藝、器件及芯片。
國內對氧化鎵的研究其實開始得非常早。2000年左右，我國就有單位開展相關研究，但是直到近幾年才獲得了技術突破。從公開資料來看，目前從事氧化鎵材料和器件研究的單位和企業，主要有中電科46所、西安電子科技大學、上海光機所、上海微系統所、復旦大學、南京大學等高校及科研院所等機構。
整體上說，中國集中于β-氧化鎵研究，但在材料和器件方面的研究相對落后，尤其是功率器件的研究很少，關鍵原因是缺少大尺寸、高質量β-氧化鎵晶體。
不過，這個情況正在逐漸改善。2017年8月，我國同濟大學物理科學與工程學院成功制備出2英寸高質量β-氧化鎵單晶。中國電科46所在2016年制備出國內第一片高質量的2英寸氧化鎵單晶，在2018年底制備出國內第一片高質量的4英寸氧化鎵單晶。
隨著氧化鎵科研不斷突破，產業化進程也在提速。國內已經成立十多家氧化鎵技術企業。
總而言之，氧化鎵雖小，但關乎未來。
氧化鎵已經走到實際應用的前夜?，F在，只需要解決兩個問題即可大規模產業化應用：一是大尺寸高質量單晶的制作，目前日企已經研發出6英寸單晶，不久即將實現批量供貨；二是氧化鎵材料大功率、高效率電子器件雖然還處于實驗室階段的研發，但距離產業化應用，時間也不太遠了。
作者簡介
張孝榮，深度科技研究院院長。
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來源：本刊原創文章
