可以說，人類在20世界下半葉開始，絕大部分的科技成果都建立在電子計算機之上，而半導體材料，就是各類現代信息技術的基石。自上世紀50年代，以硅和鍺為代表的第一代半導體材料為人類信息技術的高速發展走出了第一步；時間來到20世紀90年代，第二代半導體橫空出世，以砷化鎵、磷化銦為代表的材料為人類在無線電通訊、微波雷達及紅光 LED方面起到了舉足輕重的作用；而近十年來，也被稱為寬禁帶半導體材料的氮化鎵和碳化硅、氧化鋅等第三代半導體，直接推動了功率器件、短波長光電器件、光顯示、光存儲、 光探測、透明導電等領域的高速發展。在摩爾定律已經走到瓶頸的今天，禁帶寬度更大的金剛石、氧化鎵、AlN 及 BN 等超寬禁帶半導體材料，具有更加優異的物理性能，一定能在未來對信息技術的持續發展做出重要的影響。

自2022年8月15日，美國簽署的關于金剛石和氧化鎵的對華出口禁令正式開始生效，一時間，將氧化鎵，這個大眾平時不怎么關注的第四代半導體技術推向了輿論的風口浪尖，本來現在基本上處于實驗室階段的材料，一下子獲得了許多關注，那么，什么是氧化鎵呢？

說到氧化鎵，不得不提他的孿生兄弟——氮化鎵（GaN）。相比于氧化鎵來說，氮化鎵就和普羅大眾的生活近了很多，現在手機百瓦的充電器，有很多都用了氮化鎵技術，它們在體積相對小的同時，還做到了高電壓大電流的急速充電效率，在電池技術難以突破的今天，曲線救國，為眾多消費者緩解了電量焦慮。這是我們看得見的地方，在我們視野的盲區它已經在雷達和5G無線技術中得到了應用，很快將在電動汽車的逆變器中普及。氮化鎵能讓射頻放大器更強更高效，能讓電子設備更輕、更小。但是，這樣就夠了嗎？不安于現狀是我們人類最優秀的品質之一，我們能不能找到比氮化鎵更好的材料呢？能不能讓我們的電子設備更小，更高效呢？于是，氧化鎵誕生了，它回答了我們的疑問：“是的，我們能。”

氧化鎵

說到氧化鎵的高效，我們要引入一個新的概念——能隙。在百度百科上，能隙是這樣被解釋的：能隙是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差。能隙越大，電子由價帶被激發到導帶越難，本征載流子濃度就越低，電導率也就越低。簡單來講，能隙在宏觀中，最明顯的表現就是：能隙越大，這種材料就能承載更大的電壓。事實上，自然界中能隙比氧化鎵大的材料還有很多，但是作為電子材料來講，它們都有一般都有一個致命的問題——不能導電（倒不如說，就因為不導電，所以能隙高）。但是氧化鎵確實個難得的導電高能隙材料，接近5eV的能隙使它能承載電壓的潛力非常巨大，作為對比硅的能隙為1.1eV，而現在的寵兒氮化鎵為3.4eV，遠遠比不上氧化鎵。還有重要的一點，氧化鎵相對低廉的造價也是其他高能隙材料算不具備的（比如金剛石）。不僅如此，氧化鎵還具有一些獨特的特性，它可以通過摻雜的形式，自由控制其中載流子的數量，在氧化鎵中加入磷，便能增加自由電子，加入硼就能減少自由電子數量。

目前有六種氧化鎵晶體，其中最穩定的是β、其次是ε和α。作為最穩定β型氧化鎵晶體，對于它的研究自然是最多，且最成熟的。這主要要感謝日本筑波的日本國家材料科學研究所和柏林萊布尼茨晶體研究所的開拓性工作。

β型氧化鎵擁有良好的熱穩定性，這就意味著它可以十分容易的商業化量產，和制造傳統硅晶體一樣可以使用“提拉法”，而我國的山東大學晶體材料國家重點實驗室和中山大學光電材料與技術國家重點實驗室也在2017年提出過利用導模法來生產高質量氧化鎵單晶的方法。對比于其他新興半導體材料，比如它的上一代氮化鎵，氧化鎵的盛昌甚至不需要基座，氧化鎵可以使用自己作為基座，這就意味著它沒有氮化鎵那種由于需要使用硅、碳化硅或藍寶石作為基底，而出現的“晶格失配”（由基底晶體結構明顯不同于氮化鎵的晶體結構引起）現象，從而使氧化鎵的良品率有很大的提升。高性能、高能隙、生產相對容易且造價相對低，這是得氧化鎵氧化鎵晶體在未來半導體行業有著無與倫比的潛力和優勢。

600納米的微觀圖以及其承受200V電壓

由于氧化鎵能承受巨大的電壓而不被擊穿，說到其應用，自然是作為開關最合適不過了。早在2012年日本國家信息與通信技術研究所的東脅正高就發現了其潛力，其團隊使用β型氧化鎵制造了一種名為“金屬半導體場效應晶體管”的開關器件。這種晶體管在距離僅有600納米的情況下，可以承受近200V的高電壓而不被擊穿，震驚了整個半導體界。而這還不是氧化鎵價值最大的地方。它真正厲害的地方在于可以大幅降低功率損耗。這里需要引入另一個概念電場強度（Ec），一般Ec可以理解為半導體材料開始導電時的電場，硅的臨界電場強度通常為每厘米幾百千伏，而氧化鎵的臨界電場強度為每厘米8兆伏。對于半導體設備來說，大部分的功率損耗來自于設備開啟瞬間的電流阻力，對于開關半導體材料來說，Ec的值越高，就意味著開關之間可以離得越近，就可以使用更加薄的的器件，而更少的間距直接導致了其開啟瞬間的電流阻力更小，因此可以使設備的功率損耗大幅降低。順著這條路線，氧化鎵便開始飛速發展：2013年，研究人員研發了擊穿電壓為370伏的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。2016年，當時在NICT東脅團隊工作的王文海（Man Hoi Wong，音）利用一種名為“場鍍”（field plating）的附加結構將擊穿電壓提高到了750伏。僅僅只用了4年時間，氧化鎵的走完了前輩氮化鎵數十年的發展道路。

氧化鎵超高的臨界點場強度

然而，這世界上并沒有十全十美的事物，氧化鎵也不例外，優點如此突出的半導體材料，自然也有一些突出的缺點。對于氧化鎵來說，器件的散熱就是最大的問題。氧化鎵很有可能使目前導熱能力最差的半導體材料之一，氧化鎵的熱導率只有金剛石的1/60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1/10，約為硅的1/5，過低的導熱率可能會導致器件長期處于高熱的工作壞境之中，這將會對設備的使用壽命發起挑戰。但是，作為能積極改造自然界的人類，對于改進器件的散熱能力，早已是身經百戰，每種帶隙比硅大的半導體（甚至是金剛石）在充分發揮其潛能時，都有散熱問題而我們的工程師們往往都能最大程度的解決問題，將材料的優勢發揮到最大。對于氧化鎵散熱問題來說，已經有人走到了前列，日本的國家信息與通信技術研究所就將氧化鎵和p型多晶碳化硅粘接組合到了一起，現在已經取得了一定的實驗成果；而美國空軍研究實驗室的研究人員在氧化鎵上方大約一微米的區域使用介質和填料，將熱量分散，均勻的導出到散熱器之中，這種方法也取得了良好的實驗結果。

不僅如此，氧化鎵幾乎無法形成可以利用的空穴，這也就意味著它無法實現空穴導電，所以氧化鎵基本上于制造P型半導體無緣，而且這是分子結構層面的問題，幾乎沒有解決的方法。但是，瑕不掩瑜，氧化鎵的高能隙、低功率損耗的優勢已經十分突出，氧化鎵這種材料潛力巨大。未來，氧化鎵這種新型半導體材料一定能為快速開關、多千伏級功率晶體管和射頻器件領域帶來一定程度上的顛覆。

如今，正值半導體發展的關鍵時期：摩爾定律的失效、芯片制程逐漸逼近物理極限，還有在政治上美方對我國半導體芯片產業的種種制裁，都預示著在未來的芯片領域，將有一場巨大的較量。氧化鎵這種關鍵革命性材料的研究變成了我國打破芯被“卡脖子”的重中之重，我們在百年前錯過了第一次工業革命和電氣革命，迎來了百年的苦難歷史，而如今的計算機和信息技術的又一次革命，我們現在又空前的實力去抓住它，一旦成功，我國將一躍從制造大國轉變為制造強國，實現真正的百年未有之大變局。

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