2026年3月，日本名古屋大學(xué)低溫等離子體科學(xué)研究中心與該校孵化初創(chuàng)企業(yè)nu-rei株式會社，將在應(yīng)用物理學(xué)會春季學(xué)術(shù)講演會上集中發(fā)布關(guān)于次世代功率半導(dǎo)體材料——氧化鎵（Ga?O?）的六項(xiàng)關(guān)鍵研究成果。這一系列突破標(biāo)志著日本在氧化鎵材料生長工藝上取得系統(tǒng)性進(jìn)展，有望大幅降低制造成本、提升器件性能，為電動汽車、可再生能源及宇宙開發(fā)等高端領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平道路。

一、核心工藝突破：高密度氧自由基源（HD-ORS）

本次研究的核心技術(shù)亮點(diǎn)，是成功開發(fā)了高密度氧自由基源（HD-ORS）。傳統(tǒng)氧化鎵生長過程中，反應(yīng)速率與結(jié)晶質(zhì)量長期受到限制。HD-ORS通過采用臭氧與氧氣的混合氣體，將原子態(tài)氧密度提升至傳統(tǒng)方法的2倍。

這一技術(shù)突破帶來了雙重優(yōu)勢：

· 強(qiáng)力促進(jìn)氧化反應(yīng)：顯著加速Ga?O向Ga?O?的轉(zhuǎn)化；

· 有效抑制副產(chǎn)物生成：減少生長過程中易揮發(fā)的Ga?O中間產(chǎn)物，從而在分子束外延（MBE）和物理氣相沉積（PVD）兩種主流工藝中，均實(shí)現(xiàn)了高速、穩(wěn)定的薄膜生長。

二、生長速度飛躍：量產(chǎn)成本有望大幅下降

利用HD-ORS技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在生長效率上取得了顯著提升：

· MBE工藝：在僅300℃的低溫條件下，實(shí)現(xiàn)了1微米/小時的超高速同質(zhì)外延生長。

· PVD工藝：生長速度更是超過1微米/小時，接近傳統(tǒng)MBE工藝效率的10倍。

這種高吞吐量技術(shù)直接解決了氧化鎵量產(chǎn)中的效率瓶頸，對于降低功率器件的制造成本具有決定性意義，有力推動了從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。

三、異質(zhì)外延突破：在硅基板上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生長

長期以來，氧化鎵難以在低成本硅（Si）基板上高質(zhì)量生長，是制約其集成化應(yīng)用的主要障礙。此次研究團(tuán)隊(duì)成功攻克了這一難題。

技術(shù)路徑包括：

· 采用RCA濕法清洗與鎵原子層朗繆爾吸著前處理相結(jié)合的方法；

· 有效去除硅基板表面的自然氧化膜，并防止高溫環(huán)境下的二次氧化。

最終，研究團(tuán)隊(duì)在2英寸硅基板上成功實(shí)現(xiàn)了氧化鎵的異質(zhì)外延生長，并經(jīng)由熱處理獲得了單晶結(jié)構(gòu)。這一成果意味著，氧化鎵器件可以借助硅基板優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性和成熟的工藝平臺，開發(fā)出更高耐壓、更低成本、更易集成的功率器件，為未來與硅基產(chǎn)線兼容鋪平道路。

四、P型摻雜難題取得關(guān)鍵進(jìn)展

功率器件制造中長期存在的p型摻雜難題也獲得了重要突破。研究團(tuán)隊(duì)深化了利用NiO（氧化鎳）擴(kuò)散層形成p型氧化鎵的工藝路線。

具體步驟包括：

· 鎳離子注入；

· 氧等離子體退火；

· 快速熱退火（RTA）。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該技術(shù)不僅在氧化鎵基板上能夠形成穩(wěn)定的pn結(jié)，在氮化鎵基板上同樣有效。所形成的pn結(jié)電流密度達(dá)到鎳肖特基二極管的2倍，為構(gòu)建完整的氧化鎵功率開關(guān)器件（如MOSFET、IGBT等）提供了關(guān)鍵的材料基礎(chǔ)。

五、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同：從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的高效鏈條

日本在第三代及第四代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域持續(xù)高強(qiáng)度投入，尤其在氧化鎵這種超寬禁帶半導(dǎo)體方面，試圖通過材料生長工藝的革新確立領(lǐng)先地位。名古屋大學(xué)與nu-rei公司的此次合作，是典型的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新模式——從高校的基礎(chǔ)理論突破，到初創(chuàng)企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)化，再到公開學(xué)術(shù)講演會的集中發(fā)布，形成了完整的成果轉(zhuǎn)化鏈條。這種機(jī)制有助于加速實(shí)驗(yàn)室成果向工業(yè)化生產(chǎn)過渡，并在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈重構(gòu)的背景下，增強(qiáng)日本在下一代功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的競爭力。

六、對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的啟示

對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，這一系列技術(shù)突破釋放了明確的信號：功率半導(dǎo)體材料迭代的緊迫性正在加劇。

· 氧化鎵憑借其超高耐壓（禁帶寬度約4.8eV，遠(yuǎn)超SiC和GaN）和低成本硅基集成的潛力，有望在高壓電力電子領(lǐng)域（如智能電網(wǎng)、電動汽車逆變器、高鐵牽引系統(tǒng)）形成新的競爭格局。

· 當(dāng)前，中國企業(yè)正積極布局碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）產(chǎn)業(yè)鏈，但氧化鎵在異質(zhì)外延、p型摻雜等核心工藝上的快速進(jìn)展，提示我們必須提前布局——包括相關(guān)專利、關(guān)鍵設(shè)備、材料生長及器件設(shè)計(jì)等。

· 如果忽視這一技術(shù)路線，未來可能在下一代功率半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)制定和市場競爭中陷入被動。

因此，建議國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界密切關(guān)注日本在氧化鎵領(lǐng)域的最新動態(tài)，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究投入，推動產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，爭取在即將到來的氧化鎵時代占據(jù)一席之地。

中國半導(dǎo)體，未來可期

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