等这届高考生毕业，氧化镓能改变世界吗？本文来自微信公众号：果壳硬

本文来自微信公众号：果壳硬科技（ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓，头图来自：视觉中国
我们都曾被一句“充电5分钟，通话2小时”洗脑，又快又小的充电头有谁不爱。
自从手机厂商在快充中用到了氮化镓（GaN），这种第三代半导体材料便几乎成为快充标配。
在你刚用上氮化镓制成的充电头时，科学家与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。
当前国内超三分之二的半导体产品完全依赖进口，高端半导体材料更是遭遇卡脖子。但氧化镓不同，这种新兴材料在国内外均在产业化前夜，我们有突破和超越的潜力，因此值得重点关注。
一、出生即巅峰
第四代半导体材料有不少“潜力股” ，但其中氮化铝（AlN）和金刚石仍面临大量科学问题亟待解决，氧化镓则成为继第三代半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）之后最具市场潜力的材料，很有可能在未来10年左右称霸市场。
氧化镓有5种同分异构体，分别为α、β、γ、ε和δ 。其中β-Ga2O3（β相氧化镓）最为稳定，当加热至1000℃或水热条件（即湿法）加热至300℃以上时，其他所有亚稳相的异构体都会被转换为β相异构体。 [1]
β相氧化镓材料是目前半导体界研究最多，也是离应用最近的材料，目前产业化均以β相氧化镓为主，下文讨论内容也均指代β相氧化镓。
β相氧化镓的熔点为1820℃ ，其粉末呈白色三角形结晶颗粒，密度为5.95g/cm3 ，不溶于水[2] 。其单晶具有一定的电导率，不易被化学腐蚀，且机械强度高，高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，尤其在紫外和蓝光区域透明，这是传统的透明导电材料所不具备的优点。 [3]

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氧化镓不同同分异构体具体参数，制表丨果壳硬科技

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氧化镓各同分异构体相互转换关系，图源丨《物理学报》[4]
氧化镓天资卓越，材料属性天生丽质，出生就注定能够成为市场热捧。它拥有着超宽带隙（4.2~4.9eV）、超高临界击穿场强（8MV/cm）、较短的吸收截止边及超强的透明导电性等优异的物理性能。氧化镓器件的导通特性几乎是于碳化硅（SiC）的10倍，理论击穿场强是碳化硅的3倍多。
不止如此，它的化学和热稳定性也较为良好，同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。

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第一代~第四代半导体材料特性对比，制表丨果壳硬科技

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氧化镓对比硅、氮化硅和碳化硅，图源丨《新材料产业》[5]
但材料领域从来没有十全十美，也从来不存在单兵作战。一方面，氧化镓的迁移率和导热率低，不及碳化硅和氮化镓，可能受到自热效应影响，从而导致设备性能下降；另一方面，实现p型掺杂难度较大，难以制造p型半导体，成为实现高性能器件的主要障碍。 [6]
好在研究人员发现，当温度由室温升高至250℃时，氧化镓制造的器件性能不会出现明显的衰退，实际应用中很少会超过250℃ ，并且氧化镓器件可以非常小、非常薄，所以即使热导率低，也可以非常有效地进行热管理[7] 。同时，业界已设计多样的器件构型，有效规避了p型参杂困难的问题，实现了良好的器件性能。