我们都曾被一句“充电5分钟，通话2小时”洗过脑，又快又小的充电头有谁不爱。自从手机快充成了标配，氮化镓（GaN）就被广泛应用在各大手机品牌的快充大战中。在你刚用上氮化镓制成的充电头时，产业界便已瞄准更强的第四代半导体材料：氧化镓（Ga2O3），它能造出更强的充电头。

        什么是第四代半导体？它是指以氧化镓（Ga2O3）和锑化物等为代表的半导体材料，相比其他半导体材料，第四代半导体材料拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势，可以在苛刻的环境条件下能够更好地运用在光电器件、电力电子器件中。

      01 为何而“红”？

        第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）的元素半导体材料；第二代半导体材料主要是指砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等的化合物半导体材料；第三代半导体材料是指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。

        第四代半导体材料主要是以金刚石（C）、氧化镓（GaO）、氮化铝（AlN）为代表的超宽禁带（UWBG）半导体材料，禁带宽度超过4eV，以及以锑化物（GaSb、InSb）为代表的超窄禁带（UNBG）半导体材料。在应用方面，超宽禁带材料会与第三代材料有交叠，主要在功率器件领域有更突出的特性优势；而超窄禁带材料，由于易激发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用。

        氧化镓是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β相最稳定。

图：β相氧化镓晶体结构（网络）

        下图则是在电流和电压需求方面Si，SiC，GaN和氧化镓功率电子器件的应用的不同领域。

 成本也是让氧化镓成为吸引产业关注的重要因素

        基于SiC衬底，普遍采用化学气相沉积技术（CVD）获得高质量外延层，随后在外延层上进行功率器件的制造。由于SiC衬底晶圆相比Si具有更高的缺陷密度，会进一步干扰外延层生长，外延层本身也会产生结晶缺陷，影响后续器件性能。

        GaO和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状（Bulk）单结晶状态。对于氧化镓来说，高质量与大尺寸的天然衬底，相对于目前采用的宽禁带 SiC 与 GaN 技术，将具备独特且显著的成本优势。 

 图：GaO与SiC成本对比（EEPOWER）

        功率半导体的行业特征适合氧化镓器件的增长。除此之外，新能源车等新兴应用不断推动新半导体材料兴起。我国市场空间巨大且有望在该领域快速缩短和海外企业的差距。

      02 第四代，谁跑的快？

        富士经济预测2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1,542亿日元（约人民币92.76亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1,085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大。

        日本

        在氧化镓方面，日本在衬底-外延-器件等方面的研发全球领先。   据日本媒体2020年9月报道，日本经济产业省（METI）正准备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。METI将为2021年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和汽车供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

        美国

        美国空军研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究员Gregg Jessen领导的团队探索了GaO材料的特性，结果显示，GaO材料的速度和高临界场强在快速功率开关和射频功率应用中具有颠覆性的潜力。在这个成果的激励下，Jessen建立了美国的GaO研究基础，获得了首批样品。

        团队负责人表示：“我们之所以能够成为该领域的领导者，是因为我们能够尽早获得材料”。

      03 中国的氧化镓

        在中国，氧化镓的研究已经进行了十年，近几年也已经有所突破。中国科学院院士郝跃在接受采访时明确指出，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来的10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。

        2022年5月，浙大杭州科创中心宣布该中心先进半导体研究院发明了全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆，目前已经成功制备直径2英寸（50.8mm）的氧化镓晶圆。 国内研究氧化镓的机构和高校还包括西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、山东大学等。中国电子科技集团公司46所成功制作出国内第一块100mm单晶氧化镓晶圆。可一个材料产业的发展，需要材 料、器件、模组、应用等多个环节形成完整循环。当下，第三代半导体材料已经有一条完整的产业链，并且奔着成本不断down的方向发展；而氧化镓则仍处于一个研究继续深入，产业化初步开始的阶段。

        产业链全部环节的协同发展至关重要，如果要真正地从应用、需求端把整个产业链带起来，就要有好的器件，有示范性应用。如特斯拉在Model 3上用碳化硅，小米在快充上用氮化镓。如果有一天氧化镓做出来很好的规格，你可能发现，在某个领域，用氧化镓更便宜、性能更好、没有安全隐患，那第四代半导体的时代就到来了。