张孝荣
过去，氧化镓主要用于LED和基板等，最近十年，研究人员发现，氧化镓还有更优秀的特性，能承受巨大的电压而不被击穿，作为功率半导体非常合适。而近两个月的一则新闻，将氧化镓推到了舆论的风口浪尖。
近两个月，氧化镓，这个少有人关注的化学名词站到舆论的风口浪尖。这个本来还基本上处于实验室阶段的半导体材料，竟然成为大国科技竞争的武器，甚至引发“卡脖子”担忧，一时间舆论哗然。
但事实上，忧虑大可不必，我们反而可以舒一口气，氧化镓很可能会成为我国产业发展的加速器，而非绊脚石。氧化镓管制给出了一个很好的提示，在激烈的国际竞争中，大国需要设法构建氧化镓优势。
01
氧化镓的前世今生
氧化镓是一种透明的无机化合物，别名三氧化二镓，是一种超宽禁带半导体，Eg=4.9eV，导电性能和发光特性优异。
但氧化镓并不是一种新发现的材料，关于氧化镓的研究已有近70年历史。1952年，科学家们就发现了它的5种变体α、β、γ、δ和ε，其中β-氧化镓更稳定。
过去，氧化镓主要用于LED（发光二极管）和基板等，最近十年，研究人员发现，氧化镓还有更优秀的特性，能承受巨大的电压而不被击穿，作为功率半导体非常合适。
日本国家信息与通信技术研究所（NICT）发现了其潜力，2012年，NICT使用β-氧化镓制造了一种名为“金属半导体场效应晶体管”的开关器件。这种晶体管在距离仅有600纳米的情况下，可以承受近200V的高电压而不被击穿，这是世界第一颗氧化镓功率器件，震动了整个半导体界。随后几年里，这个电压迅速提升到750V，相对其他材料，氧化镓表现相当出色。当然，科学家坚信，氧化镓有更强大的性能，远远不是现在这点成绩。
为了更好地推进研究，2015年6月，NICT和田村制作所，合作投资成立了氧化镓产业化企业“Novel Crystal Technology”，这就是大名鼎鼎的“NCT”。与NCT同时研究氧化镓的还有源于日本京都大学的FLOSFIA公司。2017年，FLOSFIA实现了另外一种氧化镓（α相）材料的突破，虽然β-氧化镓更为稳定，但α-氮化镓拥有更好的禁带宽度，达到5.1eV到5.3eV。
2018年，日本NCT实现了4英寸氧化镓材料的突破，日本FLOSFIA实现了α-氧化镓外延材料的批量化生产，2019年日本另一家研究机构田村实现4英寸氧化镓的批量产业化。
时至今日，日本氧化镓产业涌现出了好几家明星机构，其中以NCT和FLOSFIA最为亮眼，这两家公司堪称日本氧化镓“双雄”，在氧化镓研究上，常常你追我赶，几乎不分上下。
为保持领先优势，2020年，日本经济产业省（METI）重金加码，为氧化镓的研发提供政府支持。据日本媒体报道，METI计划为致力于开发新一代低能耗半导体材料“氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持。报道指出，METI将为第2年留出大约2030万美元的资金资助相关企业，预计未来5年的资助规模将超过8560万美元。
02
氧化镓会卡住电动车的脖子
对电动车而言，氧化镓主要用于做功率半导体。2022年8月，据日经新闻报道，日本公司FLOSFIA将在2022年内量产电动车使用的氧化镓功率半导体，预计到2023年夏季达到月产数十万件的产能。FLOSFIA公司称，与当前的半导体器件相比，这些器件可以将功率损耗降低70%。
功率半导体是电动车上的核心部件之一，既可用于逆变器，将电池里的直流电转换为驱动电机运转的交流电；也可以用于充电器，将充电时的电流由交流电转换为直流电。
对于逆变器而言，氧化镓的存在可以更好地减少电能转换耗损，大幅度降低功率耗损，这意味着同样的电能，氧化镓逆变器可以保证更长的续航。对于充电器而言，承载电压越大，输入电池的电能越多，氧化镓充电器意味着充电时间的减少。而在高耐压性方面，氧化镓堪称卓越。
在氧化镓功率半导体问世之前，市面上流行的是第三代半导体材料，如果换用氧化镓，可以更加耐热且高效、成本更低，体积还可以更小，应用范围更广。2018年，特斯拉率先在Model3电驱主逆变器上采用了意法半导体供应的650V碳化硅MOSFET器件，得到了良好的车辆反馈数据，由此引发热潮。碳化硅属于第三代半导体材料，业内普遍认为，氧化镓有望替代碳化硅成为新一代汽车功率半导体材料的代表。
另外，氧化镓还有更强的高耐压能力。在第三代半导体材料中，氮化镓适用于1000V以下的中低压市场，碳化硅适用于650V以上的中高压市场。2020年6月份发表在美国《IEEE电子器件通讯》杂志上的一项研究论文显示，薄型氧化镓晶体管可承受8000V以上的电压，考虑到它的厚度只有一张纸那么薄，媒体评论说这是一个令人印象深刻的壮举。
现在的电动车充电桩主要是380V和220V，远远不能满足市场需要，未来需要推进采用800V甚至更高的电压平台架构。由此，氧化镓就成了重中之重。
03
各国争霸
与旧材料相比，氧化镓性能更强，成本更便宜，不仅可广泛用于新能源领域，还可用于日盲紫外探测器，在导弹跟踪、火灾预警和深空探测等诸多关键应用场景中发挥着重要作用。
虽然目前还处于研发阶段，氧化镓可谓是吸引了世界的广泛关注，日韩美欧纷纷布局。日本公司一开始就朝着主要向大尺寸、高品质、低成本等方向努力，率先做出产业化成果。
日前，NCT与日本酸素控股旗下的大阳日酸、东京农工大学合作实现了氧化镓功率半导体的6英寸成膜，突破了只能在最大4英寸晶圆上成膜的技术瓶颈，此技术有望把成本降至碳化硅功率半导体的1/3。
美国空军研究室（AFRL）在2012年注意到了日本NICT的成功，随后建立了美国的氧化镓研究基础，获得了首批样品。
2020年4月，美国纽约州立大学布法罗分校宣称他们正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄。该团队在2018年制造了一个由5微米厚（一张纸厚约100微米）的氧化镓制成的MOSFET，击穿电压为1850V。该产品将用于制造更小、更高效的电子系统，应用在电动汽车、机车和飞机上。
2022年4月，韩国30家半导体企业、大学以及研究所组建了碳化硅产业联盟，目的是应对急速增长的碳化硅、氮化镓、氧化镓等宽禁带半导体所引领的新型功率半导体市场。
另外，德国莱布尼茨晶体生长研究所、法国圣戈班等全球企业、科研机构也加入了氧化镓材料及器件研发的浪潮中。
04
中国的突破
氧化镓得到了国家有关部门的关注。2022年我国科技部将氧化镓列入“‘十四五’重点研发计划”，设立有《大尺寸氧化镓半导体材料与高性能器件研究》专项，正在有条不紊地推进氧化镓科技攻关进程。此前，2017年9月，氧化镓被科技部列入重点研发计划；2018年3月，北京市科委率先开展了前沿新材料的研究，把氧化镓列为重点项目。此外，安徽等地区也在“十四五”科技创新规划公布的集成电路重大专项中提出，研发氧化镓等宽禁带半导体材料、工艺、器件及芯片。
国内对氧化镓的研究其实开始得非常早。2000年左右，我国就有单位开展相关研究，但是直到近几年才获得了技术突破。从公开资料来看，目前从事氧化镓材料和器件研究的单位和企业，主要有中电科46所、西安电子科技大学、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等机构。
整体上说，中国集中于β-氧化镓研究，但在材料和器件方面的研究相对落后，尤其是功率器件的研究很少，关键原因是缺少大尺寸、高质量β-氧化镓晶体。
不过，这个情况正在逐渐改善。2017年8月，我国同济大学物理科学与工程学院成功制备出2英寸高质量β-氧化镓单晶。中国电科46所在2016年制备出国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶，在2018年底制备出国内第一片高质量的4英寸氧化镓单晶。
随着氧化镓科研不断突破，产业化进程也在提速。国内已经成立十多家氧化镓技术企业。
总而言之，氧化镓虽小，但关乎未来。
氧化镓已经走到实际应用的前夜。现在，只需要解决两个问题即可大规模产业化应用：一是大尺寸高质量单晶的制作，目前日企已经研发出6英寸单晶，不久即将实现批量供货；二是氧化镓材料大功率、高效率电子器件虽然还处于实验室阶段的研发，但距离产业化应用，时间也不太远了。
作者简介
张孝荣，深度科技研究院院长。
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来源：本刊原创文章
