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超宽禁带半导体氧化镓材料的产业进展及未来展

望

1前言

从2020年开始，日本经济产业省（METI）大力支持氧化镓“

（Ga2O3）”半导体材料发展，计划2025年前为私营企业和大学提供共约

1亿美元财政资金，意图占领下一代功率半导体产业发展的制高点。以

NovelCrystalTechnology和Flosfia为代表的初创企业，正在联合田村制

作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头，以及东京农工大学、

京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构，推动Ga2O3单晶及

衬底材料以及下游功率器件的产业化，日本政产学研投各界已开始全面布

局超宽禁带半导体——氧化镓材料。与此同时，全球半导体产业中具有全

面领先优势的美国，正在从前沿军事技术布局的角度大力发展Ga2O3材

料及功率器件。美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局，积

极寻求与美国高校和全球企业合作，开发耐更高电压、尺寸更小、更耐辐

照的Ga2O3功率器件。

不仅日、美正在布局，德国莱布尼茨晶体生長研究所、法国圣戈班以

及中国电子科技集团等全球企业/科研机构也加入了Ga2O3材料及器件研

发的浪潮中，这种半导体材料可谓是吸引了世界的广泛关注。为何氧化镓

半导体能够吸引全球各界的目光？其在未来半导体产业中将会有什么样的

前景？本文简述了半导体材料的发展历程、氧化镓半导体的特点及优势，

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以及氧化镓的制备技术、研发与产业化进展，最后对氧化镓半导体产业发

展的未来进行了展望。

2半导体材料发展历程

自20世纪50年代开始，半导体行业得到了高速的发展，半导体材料

也发展到了第3代。第1代半导体材料是以硅（Si）和锗（Ge）为代表，

其中Si具有很好的机械加工性能和热性能，在自然界中储量丰富、价格

低廉，目前可以制备高纯度大尺寸的单晶，因此极大推动了微电子行业的

发展，其在半导体产业中具有不可替代的地位。随着半导体科技的发展，

对器件性能、尺寸和能耗的要求越来越高，硅材料也渐渐暴露了其缺点，

尤其是在高频、高功率器件和光电子方面的应用局限性。第2代半导体材

料以磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）为代表，许多性能指标比硅更优

秀，更适合制备高速、高频、高温的功率器件和光电器件，推动了移动通

讯技术的快速发展。

随着高数据速率、低延迟的5G时代到来，以及电力电子领域对大功

率器件的需求越来越高，低能耗、低成本、高频、大功率器件的开发是半

导体行业发展的必然趋势。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和Ga2O3

等为代表的第3代半导体材料逐渐被重视起来。和前2代半导体材料相

比，第3代半导体材料具有更大的禁带宽度、更高的击穿电场强度、以及

更快的电子漂移速度。此外，第3代半导体材料抗辐射能力强，化学稳定

性好，在制备高频、抗辐射、大功率和高密度集成的半导体器件方面具有

明显的优势。其中，Ga2O3材料，是第3代半导体材料中的代表性材料

之一，甚至有时被业界称作为“第4代半导体”。由于综合性能优异、制备

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简单且成本低廉（可采用熔体生长工艺），Ga2O3成为继GaN、SiC之

后，最有可能产业化的第3代半导体材料，已经逐渐成为科研界、产业界

和投资界的关注焦点。

3Ga2O3材料特点

Ga2O3是一种直接带隙的半导体材料，禁带宽度约为4.9eV（不同晶

体结构，不同取向等因素，禁带宽度会有所差别），由于其禁带宽度远大

于GaN和SiC，所以，被称为超宽禁带半导体材料。Ga2O3的击穿场强

理论上可以达到8MV/cm，是GaN的2.5倍，是SiC的3倍多；