原创 第四代半导体材料璀璨新星——氧化镓

近日，知名投资机构力合科创圆满完成了对广州拓诺稀科技有限公司的数百万天使轮投资。拓诺稀科技，作为氧化镓（Ga2O3）外延薄膜制备及高性能半导体器件研发的佼佼者，专注于氧化镓外延薄膜的精湛制备与高性能半导体器件的创新开发。氧化镓，作为半导体行业的后起之秀，凭借其卓越的性能表现和广阔的应用前景，正悄然改变着整个行业的格局，引领着新一轮的技术革新与发展浪潮。

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卓越的性能

氧化镓（Ga2O3）作为第四代超宽禁带半导体材料的代表，以其卓越的性能正逐步崭露头角。氧化镓禁带宽度高达4.8-4.9 eV，远超碳化硅的3.25 eV与氮化镓的3.4 eV，其击穿场强理论值可达8 MV/cm，分别是氮化镓的2.5倍和碳化硅的3倍有余。在能效表现上，氧化镓同样令人惊艳。据统计，其理论损耗仅为硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3。此外，氧化镓还兼具出色的化学与热稳定性，加之制备工艺简洁高效，为大规模产业化应用奠定了坚实基础。凭借这些卓越性能，氧化镓在电网、新能源汽车、轨道交通、5G通信等电力电子领域展现出广阔的应用前景。据市场预测，至2030年，氧化镓功率元件的市场规模有望突破数百亿元人民币大关。

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氧化镓的制备方法

氧化镓（Ga2O3）拥有五种不同的晶相，即α、β、γ、δ和ε，这些晶相在特定条件下能够相互转化。在这五种晶相中，β-Ga2O3在常温常压下表现最为稳定，是主要的存在形式，而其他晶相则被视为亚稳相。通过调整温度条件，这些亚稳相可以转化为β-Ga2O3，且此过程在一定条件下可逆，但通常需要施加高压来实现。例如，在4.4 GPa和1000℃的极端条件下，β-Ga2O3会转变为亚稳相的α-Ga2O3。β-Ga2O3属于单斜晶系，具有C2/m空间群，其晶格常数分别为a=(1.2323±0.002)nm、b=(0.304±0.001)nm和c=(0.580±0.001)nm。在其晶胞结构中，氧原子占据三个不同的位置（O1、O、Om），而镓原子则占据两个位置（GaⅠ和GaⅡ），形成扭曲的四面体结构（GaⅠ）和高度扭曲的八面体结构（GaⅡ）。这种结构特点，特别是四面体结构的共角和八面体结构的共边，为自由电子的移动提供了便利，是氧化镓导电性能的结构基础。

目前，氧化镓的制备方法丰富多样，包括提拉法、导模法、火焰法、光学浮区法以及薄膜制备技术等。其中，薄膜制备技术如分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和脉冲激光沉积（PLD）等因其工艺灵活、简便且可重复性高而成为研究热点。

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国内外研究动态

在全球范围内，日本在氧化镓研究领域保持领先地位，已成功实现4英寸和6英寸氧化镓晶圆的产业化生产。与此同时，美国、中国大陆及中国台湾地区也在积极跟进，不断推进氧化镓的相关研究与产品开发。鸿海研究院与台湾阳明交大电子所联合研究提升了氧化镓在高压、高温环境下的耐受性能。在大陆，2022年12月，铭镓半导体实现了4英寸氧化镓晶圆衬底技术的突破，成为国内首家掌握第四代半导体氧化镓材料4英寸（001）相单晶衬底生长技术的产业化企业。2023年2月，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，并构建了适用于该尺寸单晶生长的热场结构，技术水平达到国际最高标准。2023年3月，西安邮电大学新型半导体器件与材料重点实验室的陈海峰教授团队成功在8英寸硅片上制备出高质量的氧化镓外延片。

此外，浙江大学科研团队自主研发了氧化镓专用晶体生长设备（非铱坩埚），并采用垂直布里奇曼法（VB）成功生长出国内首颗2英寸氧化镓单晶。同时，他们还成功制备出3英寸晶圆级（010）氧化镓单晶衬底。为了进一步降低氧化镓单晶衬底的成本，浙江大学科研团队又成功生长出厚度超过20mm的6英寸氧化镓单晶，其厚度在同等直径下单晶晶锭中达到国际领先，是导模法（EFG）晶锭厚度的2-3倍。结合超薄衬底加工技术，单个晶锭的出片量可提升至原来的3-4倍，单片成本则能降低70%以上。

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