在第三代半导体发展得风起云涌之际，氧化镓、氮化铝、金刚石等第四代半导体材料也开始受到关注。个中，氧化镓( Ga2O3 )是被国际普遍关注并认可已开启家当化的第四代半导体材料。
氧化镓( Ga2O3 ) 在耐压、电流、功率、损耗等维度都有其上风，此前被用于光电领域的运用，直到2012年开始，业内对它更大的期待是用于功率器件，环球80%的研究单位都在朝着该方向发展。
日本在氧化镓研究上是最前沿的。2012年日本宣布了第一颗氧化镓功率器件，2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片，此后，基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式涌现。
我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，家当化进程刚刚起步，但是进展飞速，今年我国科技部将氧化镓列入“十四五重点研发操持”，让第四代半导体得到更广泛关注。
一个材料家当的发展，须要材料、器件、模组、运用等多个环节形成完全循环。目前，第三代半导体材料已发展出完全的家当链，且向着本钱不断降落的方向发展；而氧化镓则仍处于一个研究连续深入，家当化初步开始的阶段。
氧化镓想要得到家当发展，须要具备至少3个要素：一是材料本钱降落，足以用于家当；二是衬底、外延、器件家当链发展完善；三是，涌现示范性运用。
此前，氧化镓衬底紧张采取导模法（EFG法）进行生产，由于EFG法须要在1800℃旁边的高温、含氧环境下进行晶体成长，对成长环境哀求很高，须要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和本钱只有贵金属铱适宜艳服氧化镓熔体。但一方面铱价格昂贵，价格是黄金的三倍，6英寸设备须要几公斤的铱，相称于一大块黄金，仅坩埚造价就超过600万，从大规模生产角度很难扩展设备数量，另一方面，铱只能依赖入口，给供应链带来很大风险。
值得关注的是，我国的深圳进化半导体，日本东北大学联合C&A公司都宣布了无铱工艺，从关键材料端角度让低本钱氧化镓成为可能，也推动全体家当链的发展进程。
本文，我们约请了在专注于氧化镓材料的进化半导体公司CEO许照原，共同磋商第四代化合物半导体氧化镓的发展情形，正文将回答几个问题：
什么是氧化镓氧化镓材料研究走到哪一步间隔家当链成熟还有多远一，什么是氧化镓？
36氪：第四代半导体材料氧化镓干系研究最早涌现于什么时候？能否大略先容一下什么是第四代半导体？
许照原：实在我们一样平常不提第四代这个叫法，而是超禁带半导体材料，这些材料相对冷门，我时常将它先容成跟氮化镓、碳化硅竞争并存的一种材料，不过有越来越多的人喜好叫“第四代”，确实比较能干，随意马虎引起关注。超禁带半导体分两个方向，一是超窄禁带，禁带宽度（指被束缚的价电子产生本征引发所须要的最小能量）在零点几电子伏特（eV），比超窄禁带更窄的材料便称为导体；二是超宽禁带，如禁带宽度在4.9eV的氧化镓，以及更高的金刚石、氮化铝等，当禁带宽度超过6.2eV，基本上便是绝缘体。目前来看，超禁带半导体将会是末了一代半导体，尤其是金刚石很早就被称为“终极半导体”。
日本的研究是家当化公司带头的，一开始就朝侧重要向大尺寸、高品质、低本钱等方向努力，以是率先做落发当化成果。2012年，日本信息通信研究机构（NICT）宣布了环球第一个氧化镓功率器件，是一颗场效应晶体管（MESFET），此后不久又宣布了肖特基势垒二极管（SBD），就像2001年英飞凌发行首个碳化硅二极管一样，在全天下范围内引起关注，由此给业界打开了氧化镓新运用的大门。2015年往后，日本NCT公司陆续推出高品质的氧化镓衬底和同质外延片，为科研院所供应了根本研究材料，直接结果是，从2015年开始，科研单位关于氧化镓的论文和宣布开始爆发式增长，国际上开始了氧化镓领域的猖獗竞赛。
海内对氧化镓研究实在也开始得非常早，2000年旁边，我国就有单位开展干系研究了。近年来，科研院所在努力深入地探究氧化镓材料的各种特性，须要更丰富的材料来开展研究，而家当界规模化运用则须要大尺寸材料产品来提高效率并降落本钱，以是氧化镓材料的国产化、低本钱化呼声越来越高。一贯以来我国的研究进展集中在科研机构，家当化进程比日本要缓慢，但是比美国要快得多。
到2019年，在中国半导体奇迹奠基人黄昆师长西席诞辰一百周年纪念日上，几十位院士、数百位专家共同定义了超禁带半导体，也称为第四代半导体，并以大规模实现家当运用为剖断标准。目前，第三代半导体实在是指宽禁带半导体，包括碳化硅（SIC）和氮化镓(GaN)这两种禁带宽度超过3eV的材料，刚刚开始大规模运用。而第四代半导体中的超宽禁带指的是氧化镓（Ga2O3）、金刚石（Diamond） 、氮化铝（AlN） ，这些材料中只有氧化镓已经实现大尺寸打破（6英寸），估量未来3-5年可以实现大规模运用，由日本引领风潮。
36氪：第三代半导体材料已经开始迈向降落本钱的阶段，而氧化镓家当链并不成熟，二者比较，氧化镓有何材料特性和上风？
市场对第三代半导体寄予厚望，是由于他们性能较好，耐高压，可用于高功率场景，且功率损耗低，具备节能上风。氧化镓本钱低、节能的优点更为突出。
碳化硅比较硅基器件，其功率损耗是硅基的七分之一，节能效果很好，而氧化镓功率损耗是碳化硅的七分之一，也便是硅基器件的1/49，即2%，可以说是超大幅度节能；碳化硅常被用作功率器件，在新能源汽车上发挥节电效果，当散热较小时，可以优化散热系统，变得轻便而便宜；目前市场常用的有铜、金银等贵金属，而更好一些的材料，如石墨烯、氮化铝、金刚石等，散热效果更好，具备优化散热系统潜力；
从成长角度看，氧化镓本钱很低，是唯一一个可以用熔体法成长的宽禁带半导体材料，其6寸衬底本钱三五年内就可以降到1000-1500公民币，大规模生产后可以降到300元，而同样尺寸的碳化硅衬底本钱大概在4000-5000元，售价超过7000元，这中间有一个巨大的本钱差。
氧化镓天生晶圆衬底的速率很快，氧化镓可以采取熔体法，有些类似把筷子插进蜂蜜，再把筷子拽出来，这就已经形成了一单晶了，一个小时成长2厘米，是其他材料长速的近100倍。而在通过类似雪先融化成水、再结成冰的熔体法天生的晶体质量非常好，而气体分子沉积成晶体的过程是很慢的，品质也很难提高。
36氪：氧化镓材料可以被用于什么产品？
许照原：半导体材料的禁带越宽，须要的激活能越大，才能将电子从一个束缚的电子变成自由电子，它对波长比较长的光接管量很少，氧化镓相应波长250~300nm，因此可以用于探测日盲紫外光，目前这个方向受到科研职员的广泛肯定。不过我们团队还是更熟习功率运用，光电运用就期待其他团队来努力了。
日盲紫外波段的光芒无法透过大气层，会被大气层直接接管。一旦在大气层中探测到这种光芒，那么它要么来源于闪电，要么来源于导弹，要么来源于战斗机，可以用该材料当作军用光芒探测器。此外，在电站、加油站等场景，故障早期涌现电晕放电情形时也会发出这种紫外的光，如果状况连续恶化的，它就开始发热并变成红外的光，相称于可以用氧化镓防患于未然，不过能用做这种探测的材料还蛮多的，比如氮化铝、碳化硅，氧化镓在这个运用可能还须要进一步证明它的不可取代性，不像功率领域这么大略明了。
业界对氧化镓的的开拓更多还是在功率器件上，基本上80%的研究单位都在朝着功率器件的方向发展。
36氪：氧化镓具备什么材料特性，让它具备用于功率器件的潜力？
许照原：市场对付功率更高、损耗更低、本钱更低、性能更好的器件的追求是永无止尽的。
功率半导体最看重的是击穿场强、导通电阻、迁移率、介电常数等参数，禁带宽度更宽的材料，天然具有更耐高温、耐辐射、耐高压、导通电阻低的特点。氧化镓的禁带宽度为4.9eV，而氮化镓为3.39eV，碳化硅为3.2eV，硅为1.1eV；在耐压能力上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅的击穿场分别为8、3.3、2.5、0.3MV/cm；在评估材料特性的巴利加优值BFOM上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅分别为3440、536、344、1，数值越大，导通特性就越好；不过在散热率上，氧化镓的热导率仅0.27w/cm·k，要低于氮化镓（2.1 w/cm·k）、碳化硅（2.7 w/cm·k）、硅（1.2 w/cm·k），现在工业界通过封装已经搞定散热，效果很好，以是现在基本上行里人也没有人再提热导率的事儿了。
二、氧化镓材料研究走到哪一步？
36氪：目前环球氧化镓材料研究走到了哪个进度？
许照原：这个材料特殊难，直到现在，环球仅日本实现了量产。由于这个材料熔点高，1800度，还须要有氧环境，单独实现某一个还好，比如高温，碳化硅须要2300度高温，也能很好实现，但是有氧就不好办了，全体技能体系都要改换，设备要改，热场要改，保温材料，加热材料，坩埚材料，全都要换，重新摸索。那研发这个材料就须要很强的设备能力，也须要长晶根本，熟习各种长晶工艺，再用极大的耐心去实验。
日本将氧化镓的衬底、外延、器件全都研究了一遍，并且已经实现了6英寸衬底和6英寸同质外延，这什么意思呢，便是不到十年的韶光，已经追上了碳化硅四十年的进度，这便是熔体法带来的好处。他们很早就验证出这个材料在功率领域很好用，此后更多的人以为这个材料挺好的，开始大规模采购日本的材料，一起在器件端探索，开拓出新的更好规格的器件。目前，日本有两家氧化镓公司，都是从材料做到器件的IDM企业，一家公司融资了11轮，但未向市场售卖材料和器件；另一家日本公司NCT在环球市场霸占率靠近100%，供给了市情上险些所有的氧化镓材料，他们用的是导模法，也便是用铱的，未来几年很快就要被淘汰掉，以是我猜他们肯定也在钻营新技能路线。他们的外延是做得最好的，领先我国很多。
在一些特定领域里，我们看到的宣布是说日本已经与客户完成了初步验证，效果很好，操持从小规模实验准备转入量产阶段，估量在2023年量产。
现在大家都只知道他们用在工业，但是不知道到底在哪个场景用的，也没办法去推算特定的规格来进行同步定制的开拓。只有等到它真正批量运用之后，我们才能看到它还有这样的市场，再去追随跟进了。
36氪：化合物半导体研发有什么研究难点？
许照原：材料研发本身就很难。化合物半导体涉及到物理、化学、材料学，器件端仿真等各个领域，且只能通过实验研究，须要大量履历和积累。而新材料没有现成设备，没有得当的研发环境，要重新研发装备，培植研发环境，从零干起，难度非常大，相称于为了做一份仅知道物理特性的食品，要新建厨房，把水电气做好，担保能用还安全，再琢磨用什么方法才能把菜做出来，再根据这个方法自行开拓配套的厨具，实际上到末了的长晶工艺开拓环节已经是最大略的了。这里面还涉及各种材料的选择、搭配，须要对不同材料在各种温度下的变革管窥蠡测，才可以更好地成长。
环球科技巨子在海内建了很多的芯片厂，但从不建材料厂，由于材料真个内容非常核心，且很难通过专利保护，它类似某种炒菜手腕，国外厂商不会把配方、火候等要素放到别国。目前，全天下在材料端做得最好的公司在日本。
有些材料研发起步相对随意马虎，像宽禁带材料中的金刚石，可以通过模拟它在大自然中的形成条件，去摸索天生方法，但氧化镓在自然界中并不存在，也就无从模拟，只能像炼金术一样摸索。
不过，它的家当化就相对大略。由于作为宽禁带材料，氧化镓的芯片制造过程抗滋扰能力很强，可以用GaN的现成芯片产线就可以制造氧化镓器件。实际上，国际上险些所有的研发单位都是有GaN根本，从GaN转过来的，不用新建实验环境，直接就在之前的设备上就能做氧化镓开拓。看宣布，最近英国一个高校买了一台氧化镓外延设备，并估量未来几个月就可以推出第一批氧化镓器件，便是由于有现成的设备可以用。
36氪：品质提升有哪些问题要办理？
许照原：一方面是材料端要提纯，再一个便是生产条件的处理和掌握，包括腔室的处理，在生产过程中载气的掌握等。高温环境下，温度梯度很难掌握。且腔体中常日有多种材料，不同材料在高温下也会开释一些物质。如为保持温度，腔体中还须要一些保温材料，这些材料在高温下也会发生变革，难以掌握在一个较好状态，因此材料熔化随意马虎，制造单晶晶体就难；在腔体中形成底下热、上面稍冷、中间不冷不热的临界状态是真的很难。
36氪：如何评价氧化镓材料的质量？
许照原：氧化镓材料有几个特定的评估标准。一是通过X光检测XRD测晶体质量，数据越小品质越高；其次看是不是完全单晶；三是毛病密度，有条件可以测下堕落坑；我们前期对自己的材料和国外的材料做了大量的剖析测试，再结合长晶工艺，每一个技能条件的变革会产生什么样的结果，我们有了很细致的研究，因此我们进化半导体才能进展如此迅速，可以说在材料性子、毛病抑制、工艺优化等方面的认知上，我们是海内领先的。
36氪：氧化镓器件类公司在发展过程中有何难点？
许照原：器件端现在实在最稀缺的资源是产线，现在海内还没有任何一条供器件公司利用的氧化镓器件工艺线。我们公司是做材料的，设备能自己研发，本钱很低，就几十万，但器件真个生产设备，很成熟的一些设备全套下来可能要五千万乃至要上亿。
36氪：氧化镓器件公司可以利用现有硅产线进行生产？
许照原：它可以利用现有的功率半导体产线，比如说硅基IGBT、做LED的氮化镓、做碳化硅的产线都可以改，氧化镓是特殊稳定的一种材料，它很少会受到其他材料的滋扰。它只在成长中随意马虎受到滋扰，在运用中反而还好一些。
产线改造难度不大，只要工厂乐意改。目前，我们紧张找一些类似于半研发机构的互助伙伴，它不依赖于这条产线赢利，紧张用这条产线摸索工艺，做一些开拓，它故意愿开辟一些新方向，我们就见告他怎么改产线，须要哪些环节，用什么样的参数，我的工艺都可以实现。后面，我们再把产品给他，他们可以开放给全部有兴趣做氧化镓器件的团队，我们也有器件研发职员，大家可以一起去做开拓，把氧化镓家当链越做越完善。
三、间隔家当链成熟还有多远？
36氪：海内研究氧化镓的科研院所和企业多吗？
许照原：海内半导体很多领域技能储备都是有的，但是家当化做得不足好，化合物半导体产品险些全部是卡脖子领域，且家当化很难，须要具备资深背景的业内专家、大企业技能带头人才能更好实现家当化。
我们目前看到的情形是，进行氧化镓研究的高校和科研院所还挺多的，不过做衬底的研究团队相对要少，创业企业就是非常少，由于做材料是投入大、周期长、门槛高的环节，险些没有技能积累的企业，是很难做出成果的，一样平常是须要国家在前期进行课题经费支持。海内氧化镓材料以中电科四十六所、山东大学、深圳进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等单位为主力。
36氪：氧化镓有衬底、外延、器件三个产品种类，企业一样平常是只研发个中一种，还是都研发？
许照原：理论上只研发某一个环节就够了，以碳化硅领域为例，做衬底的有山东天岳、天科合达、河北同光、山西烁科晶体等，他们基本上只做衬底也就够了；外延端比如说瀚每天成、东莞天域等等，只做外延；器件真个便是泰科天润、绿能芯创这些公司，乃至还有一类的是器件制造公司专门给其他人代工叫Foundry，下面还有叫器件设计公司Fabless，自己不建厂，别人有工厂后，我开拓的器件让他生产。
化合物半导体行业规律是，合-分-合。刚开始新材料涌现，没人验证好坏，只能自己从衬底到外延到器件都干了，验证材料是好材料，然后涌现每个环节的上风团队，行业越成熟，环节就会越细分、专业。但是末了又会逐渐整合，由于化合物半导体中都是know how（技能机密）为主，不像集成电路以IP（知识产权）为主，所以为了保护技能机密，担保家当链供应，上风企业就开始并购，把各个环节补全，像日本罗姆，欧洲的意法半导体，都是范例代表。现在第三代半导体仍处于野蛮成长状态，有的人我能干的全干了比如Cree（现在叫Wolfspeed），有的人只干一个环节也能生存得很好，不须要百口当链都干。
但现在氧化镓还没有分解出来，一个公司必须从头干到尾。新材料企业在发展上会有这样的困境，这对团队的哀求很高，得有研发能力，有足够的资源整合能力，还要有足够的钱，扛到这个材料火起来。
36氪：到目前为止，大多数从业者的关注点还在第三代半导体上，您认为第四代半导体何时会得到关注？
许照原：对一个家当链来说，必须具备全部环节，才能有好的协同。如果要真正地从运用、需求端把全体家当链带起来，就要有好的器件，有示范性运用，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，你可能创造在比如说有没有哪个领域，用氧化镓便宜、性能好、没有安全隐患，那第四代半导体的时期就到来了。
示范性运用起来后，大家以为市场端没问题，就会开始批量生产。而批量生产的一个根本在于，供应链上游要供得上。器件制造的供应链是外延，外延的供应链是衬底，我们只管即便从材料出发，联络更多的家当链公司和单位，共同促进氧化镓家当化。
我们估量明年会涌现一个真正杀手级的运用，最早可能涌如今日本。我们认为，氧化镓的家当链立时要成熟了，有市场的未来和前景。
36氪：在您看来，氧化镓最早会在哪个领域落地？在此之前全体家当须要具备哪些条件？
许照原：我们认为最早可能会涌如今快充和工业电源上。它的市场门槛比较低，不像汽车，可能须要拿很多资质。这些领域（快充和工业电源）属于你的性能ok、本钱够低，就能用，且他们对可靠性有需求，而氧化镓的可靠性天然非常好。
汽车会是它未来的爆发点，但不会是率先运用。实在和碳化硅一样，碳化硅最早是用在光伏逆变器、工业电源，直到特斯拉用到车上，它才爆起来。以是行里话叫，“碳化硅摸着石头过河，氧化镓摸着碳化硅过河”，碳化硅发展了40年，氧化镓用了不到10年的工夫就已经发展到了靠近于碳化硅发展35年旁边的进度。
36氪：第四代半导体材料会第三代存在互助可能吗？
许照原：会合作的。氧化镓和GaN的晶格失落配很小，可以在氮化镓上长高品质的氧化镓外延层，有很多团队都在做这方面事情，也宣布了非常俊秀的成果，只要氧化镓本钱降下来，有成为继Si和蓝宝石往后的第三种平台型衬底材料的潜力，相称于可以借着氮化镓发展，这是一个可以互助的点，但会和碳化硅有一定的竞争，都在力争寻衅硅基器件的传统地位。
36氪：现在，第四代半导体氧化镓家当有何发展打破吗？
许照原：氧化镓的材料制备刚刚实现打破。如果我们把做器件、做运用比作炒饭，那条件是你得有米，之前这个米想把它种出来都非常困难，也就没办法大规模运用。目前一个比较大的打破是，我们找到了低本钱制造氧化镓材料的可能。
目前，市情上主流的能制备单晶材料的方法有导模法（EFG法）、提拉法、焰熔法、浮区法等，个中，EFG法是当前唯一能制造大尺寸氧化镓衬底的工艺，已经有单位能根据该方法制造出6英寸的样品。险些供应了环球100%的氧化镓衬底的日本NCT公司，采取的便是EFG法。
不过，EFG法须要在靠近1800℃的高温、含氧环境下进行晶体成长，对盛放熔体的坩埚哀求很高，须要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料，目前性能和本钱比较得当的只有贵金属铱，但铱非常昂贵。
业内一贯期待无铱工艺的涌现。我们2021年06月就在业内先容了无铱法制备氧化镓方法。2022年04月，日本东北大学联合C&A公司也宣布了无铱工艺的2英寸衬底，看先容跟我们多种无铱技能路线中的一条异曲同工，能把价格做到跟硅和蓝宝石靠近的价格。总之这种技能意味着，低本钱氧化镓进入市场已经具备可能。
36氪：那进化半导体的技能积累是什么？
许照原 ：我们的技能团队是非常资深，有一位核心成员是化合物半导体材料专家，节制很多技能，补充了多个半导体材料的海内空缺，氧化镓家当化领域我以为他该当是最威信的吧。他从2014年就开始搞氧化镓，2016年海内最早做出来2寸氧化镓，2018年海内最早做出4寸氧化镓，也是海内唯一做出来4寸的，到目前为止还是海内的记录保持者，在各种文献中看提到我国做出4英寸氧化镓材料的，那实在便是他，只是不提他名字而已。2017年他牵头撰写了海内氧化镓唯一的行业标准，以是他在行业内还是很威信的。
他有这么多年的刻苦研讨，上千次实验，对氧化镓里里外外都琢磨通透了，才能开拓出我们创新的无铱工艺，现在我们已经做出来了5寸材料，正在向更大尺寸研发。想有创新，就必须要经由这么多种材料，这么多工艺，这么多次实验的折磨才能打破，做材料没有抖机灵成功的，没有晶体履历就说自己能做的，要么是骗子，要么是小偷，要知道，上千次实验在晶体领域是很惊人的，由于每次升温降温至少要一两天，险些每一两天就要通宵，做晶体材料非常辛劳。
36氪：进化半导体位于氧化镓家当链的哪一环？
许照原 ：我们现在最善于的是做材料。在全体化合物半导体家当链里，最稀缺的是材料——代价最高，壁垒最高。材料是根本科学，它不是一种能模拟来的技能环节，必须对它的机理有足够的理解，有足够的实验形成know how，然后去做出来。
此外，化合物产品本钱上，有一半来自衬底，20%~30%来源于外延，剩下是晶圆的制造和封装测试等环节。晶圆制造投资大且难，但相应带来的代价却没有那么高。
不过 ，目前由于全体家当链尚未成熟，也并未涌现一个示范性的运用，大部分公司还处于将信将疑或不雅观望态度，不会主动试产器件，以是我们现在是前期也在联合互助伙伴努力打通衬底、外延、器件三个环节，让大家看到这确实是好东西，等下贱市场起来后，我们再连续努力降落材料价格，供应充足的高品质根本材料，让乐意去做快充的做快充，做新能源车逆变器的去做逆变器，做光伏的的去做光伏。
36氪：目前进化半导体的氧化镓材料研究走到了哪一步？
许照原 ：公司成立不到一年，我们已经研发了6寸的无铱法长晶设备，该当也是海内首台6英寸氧化镓专用设备。我们正在开拓6英寸的氧化镓材料，今年该当可以实现2英寸材料的小批量供应。目前阶段，我们是海内新记录的创造者和保持者（5英寸），我们也努力研发，加强技能上风。等我们做出来6寸了，也会给业界更大的信心。
我们已经跟客户沟通了所需产品规格，操持第一步是先知足客户需求，实现送样和小批量供应，同时连续做更大尺寸材料的研发，为大规模家当运用做好准备，商务和研发两条腿走路。
36氪：按目前的研发进度看，公司材料何时能在产品中真正试用，离成品阶段还有多久？
许照原 ：我们研发还是比较顺利的，今年下半年就会开始供应衬底，从小尺寸开始卖。现在下贱须要的用小尺寸材料做开拓，而非用大尺寸做量产，我们要适应客户的需求。
我们已经拿到了多家客户的产品规格哀求，7月份就可以开始送样，跟客户互助改进产品，等规格稳定后，就开始大规模量产。我们为大家供给充足的原材料。他们向日本公司购买会有货期长、价格贵的缺陷；我们一方面产品价格更便宜，二是可以合营客户需求做参数调度，有了客户第一手进度信息，我们也可以很好地做产能方案，提提高行干系的扩产准备。
