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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Novel Crystal Technology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
引道结构图
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，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
磁卡复制 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。
3 Ga2O3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；
另外，Ga2O3良好的化学和热稳定性，成本较低、制备方法简单、便于批量生产，在产
业化方面优势明显。
Ga2O3有5种同分异构体，包括α、β、γ、ε和δ。在这些同分异构体中，β相Ga2O3最为稳定，其他几种相为亚稳相，这些亚稳相可以在一定的温度下发生相变，转变成为β相Ga2O3。在这些相中，α相Ga2O3为三方晶系，空间是R-3c，晶格常数是a=b=4.98 ，c=13.43 ，α=β=90°，γ=120°；
β相Ga2O3为单斜结构，空间为C2/m晶格常数是a=12.23 ，b=3.04 ，c=5.80 ，α=β=90o，γ= 103.82o；
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γ相Ga2O3为立方晶系，它的空间为Fd—3m，晶格常数为a=b=c=8.24 ，α=β=γ=90°，理想的尖晶石结构化学式应为AB2O4的形式γ相Ga2O3是有缺陷的尖晶石结构；
ε相Ga2O3是目前争论最多的同分异构体，比较认可的结构为六角晶系，空间为Pna21，晶格常数为a=b=2.90 ，c=9.26 ，α=β=90°，γ=120°；
δ相Ga2O3是目前为止研究和报道最少的同分异构体，其晶体结构属于立方晶系，其空
间为Ia-3，晶格常数为a=b=c=9.40 ，α=β=γ=90°。
4 Ga2O3材料的应用
根据研究人员报道的结果，Ga2O3材料的潜在应用方向很多，包括光电探测、功率器件、射频器件、气敏传感、光催化、信息存储和太阳能利用和等。目前，Ga2O3商业化趋势明朗的应用领域主要有2个方面。
4.1 日盲紫外光电探测器件
当太阳光通过大气层时，臭氧层会对200～280nm范围的紫外光进行吸收，导致该波段的光在大气层以下是几乎不存在的，把该波段也被称为日盲波段，当探测器在该波段工作时，不受太阳光影响，背景噪音小，误报率低，可全天候工作，因此其在航空航天领域和军事领域具有重要的应用价值。目前，日盲探测技术可以通过施加滤波片、或者对某些宽禁带半导体材料进行掺杂调控带隙来实现。但是，高质量的紫外滤波片成本较高，多元化合物薄膜生长工艺相对复杂，限制了日盲型紫外探测器的广泛应用。相比之下，Ga2O3材料带隙为4.9eV，对应的吸收波长约为250nm的深紫外光，刚好为日盲紫外波段，被认为是日盲型光电器件的理想材料。
4.2 功率电子器件
功率器件对材料的耐击穿场强要求较高，具有较大击穿电场强度的材料，所制备的功率器件性能会越好。通过对常规的半导体材料进行分析发现，随着带隙增大，材料的击穿电场强度有增加的趋势。Ga2O3材料的带隙较宽，具有较大的击穿场强。根据理论分析，Ga2O3材料的击穿场强可以达到8MV/cm，是Si材料的20倍以上，比目前第3代半导体中的GaN和SiC材料高出一倍以上。Ga2O3材料除了具有高的击穿场强外，制备成器件后能耗也大大降低，是Si、GaN和SiC不能比的。由于Ga2O3材料具有高耐压、低功耗的优势，未来在高温、高频、大功率电力电子器件制备中具有广阔的应用价值。
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