镓族科技：超宽禁带材料先行者

刘超

半导体对20世纪人类的影响令人惊叹。半导体与原子能、激光器和电子计算机一起，被誉为20世纪的“新四大发明”，而半导体的发展又决定着电子计算机和激光器的发展进程。试想一下，如果没有半导体，我们的生活会不会变得单调？越来越多的“手机控”“低头族”们如果没有了手机和平板电脑等移动通讯或媒体设备，他们会不会痛不欲生？

时至今日，半导体材料已经经历了第1代的硅、锗，第2代的砷化镓、磷化铟，而当下最有发展前途的第3代半导体材料——碳化硅和氮化镓，由于其禁带宽度远大于前2代，因而被称为“宽禁带半导体材料”。几乎每一代新材料的出现都会给相关产业带来一次“革命性”的巨变。那么，宽禁带半导体再发展之后，会不会出现禁带宽度更宽的半导体？

北京镓族科技有限公司（以下简称“镓族科技”）刚刚成立一年多的时间，在半导体行业内几乎还没有人知晓，但他们的产品却能成为时下半导体材料中的翘楚——氧化镓，一种比目前氮化硅和氮化镓禁带宽度更宽的“超宽禁带”半导体材料，与金刚石等一起被称为是“第4代半导体”材料。相对于许多人还停留在一提到半导体就想到了硅一样，氧化镓半导体对大多数人来说则更显得神秘和“高冷”。

為此，我们走近镓族科技，请公司董事长、北京邮电大学教授、博士生导师——唐为华讲述氧化镓半导体材料的“高冷”范儿因何而来？同时，也让我们深入了解镓族科技——这个刚满“周岁”的初创企业。

北京镓族科技有限公司是国内首家、国际第2家专业从事超宽禁带半导体——氧化镓材料及其相关器件研发的创新型高科技企业。在习总书记十九大报告“迎接新时代，踏上新征程”的感召下，凭借国际领先的氧化镓研究方面的技术优势和高层次人才团队，由北京首都科技发展集团有限公司和北京顺义科技创新集团有限公司注资成立，开启宽禁带半导体氧化镓产业化开发新征程。主要产品为氧化镓单晶衬底、外延薄膜衬底、氧化镓基日盲紫外光电器件、高功率电力电子器件和高频大功率通信器件等。肩负掌握自主核心知识产权，打破国外在超宽禁带半导体关键材料和核心芯片领域技术封锁的国“镓”使命。铭记初心，遵循一代材料、一代器件，一代产业的发展规律，助力中国制造的强国战略，创造社会和经济价值。

“卡”不住的半导体材料——氧化镓

禁带宽度和击穿场强是半导体的2个重要参数，决定着半导体的应用领域。氧化镓的禁带宽度达到了4.8～5.3eV，远高于碳化硅和氮化镓的3.3～3.5 eV；另外，氧化镓的击穿场强8MV/cm，是氮化镓（3.3MV/cm）和碳化硅（2.5MV/cm）的2～3倍。这就决定了氧化镓具有比后者更高的热稳定性和化学稳定性，抗辐照能力更强能够，承受的工作电压更高。因此，氧化镓材料适用于未来制造高频、大功率、深紫外和高密度集成的半导体器件。氧化镓的禁带宽度正对应日盲紫外区（波长200～300nm），因此氧化镓是天然的日盲区探测材料。另外，氧化镓极高的击穿场强是制备大功率器件不可替代的优选材料。因此，宽禁带氧化镓半导体技术将是支撑通信、轨道交通、新能源汽车等产业发展的核心关键技术。据专家测算，碳化硅功率器件比硅器件要节能80%，而氧化镓功率器件又比碳化硅器件节能80%左右。因此氧化镓半导体器件在高功率、低功耗器件方面具有非常广阔的应用前景。

随着高质量2英寸氧化镓单晶的成功制备以来，氧化镓材料受到各国科研人员的高度关注。其中“氧化镓及相关材料专题国际研讨会”于 2015年和2017年分别在日本和意大利召开。美国空军研究实验室传感器件部于2017年发表“氧化镓技术评估报告”。2018年1月份美国物理学会发表嘉宾社论“氧化镓——微电子及其器件的曙光”。国内，2017年南京大学半导体材料与器件专家郑有炓院士在全国第二届宽禁带半导体会议上指出“氧化镓是宽禁带半导体未来的4大发展方向之一”。同时氧化镓材料已被写入国家重点研发计划和国家自然科学基金的申请指南中。北京市科学技术委员会也将“3英寸氧化镓单晶衬底及外延工艺研究”列为前沿新材料专项招标课题，氧化镓材料已然形成研究热点。唐为华教授说“氧化镓开启了宽禁带半导体的新篇章”。

前不久，《科技日报》报道了我国35项“卡脖子”的技术和60多项尚未掌控的核心技术，其中就有半导体材料的制备技术。更重要的是，涉及到高端半导体材料和设备，美国、日本等一直对我国采取禁运措施，这也是我国在半导体材料和器件长期落后于世界先进水平的主要原因。从现实看，我国在前2代半导体的发展步伐确实远远落后于国外，而以碳化硅和氮化镓为代表的第3代半导体虽然已经缩小了与国外先进技术的差距，但想要追赶上实现并跑，仍需时日。

唐为华教授分析：“国内在第3代半导体材料上一直落后于欧美，在追赶欧美的时候还要受到很多外部的限制，比如器件制备工艺和生产设备。短期内难以取得实质性的领先优势。但氧化镓就不一样了，目前全球几乎都处在一个起跑线上，镓族科技的部分技术甚至要领先于欧、美、日，这就意味着我国不会继续被国外所制约。当然，这个产业化的进程不可能是一帆风顺的，肯定会有很多技术难点需要突破，既然都在一个赛道上，我们有信心能解决遇到的困难”。

2017年年底，镓族科技在北京成立，由首都科技发展集团和顺义科创集团旗下的三新基金注资，是我国第1家、全球第2家专注于氧化镓半导体材料与器件的商业化公司。作为镓族科技的董事长和技术总负责人，唐为华教授介绍说，“我们的研究团队从2011年开始将目光对准了氧化镓半导体材料，而这个时期正好也是国际上对氧化镓半导体研究的起步阶段。这些年我们潜心研究，专注氧化镓这一件事，取得了国际公认的科研成果。正是基于深厚的基础科研积累，氧化镓产业化开发才有了厚实的基础”。我们期待唐为华教授领导的研究团队在宽禁带半导体氧化镓研究方面实现“顶天立地”，从基础学术研究，到产业开发，到技术应用。通过唐为华教授的介绍可知，就超宽禁带半导体氧化镓材料的产业化进程而言，我国基本已经与国外同步。国内半导体材料有望摆脱“被卡”的命运指日可待。

落地顺义 成绩突出

截至本文完稿已然是2018年底，距离2019年的元旦只有不到一周时间。从镓族科技成立算起，这个刚刚过完“1周岁”生日的初创企业已经成绩斐然。

唐为华教授介绍，镓族科技成立一年以来，目前已经申请近18项国家专利。在北京市科委“3英寸氧化镓单晶衬底及外延工艺研究”招标课题的推动下，公司在氧化镓单晶晶体生长及氧化外延薄膜生长方面取得重要进展，获得高质量的单晶晶坯，为国内领先水平，接近日本同期水平。外延薄膜方面，镓族科技的2英寸氧化镓外延薄膜结晶性和均匀性都得到阵列化日盲紫外探测器的验证，均匀性优于国外同类薄膜产品，且薄膜生长速度快。在氧化镓基日盲紫外探测阵列器件芯片研制方面，已实现64×64阵列芯片，芯片对日盲波段紫外光的响应度、探测率、紫外/可见抑制比、响应时间等指标均可以满足日盲紫外探测成像系统的应用。镓族科技入选2018年中关村示范区分园高精尖产业培育“重大前沿原创技术成果转化和产业化项目”。应邀参加2018年全国大众创业万众创新活动周北京会场展示，被作为高校教师创业范例，媒体采访与成都主会场互动。国家发展和改革委员会、科技部创新发展司以及中关村科技园区管理委员会、中关村发展集团等相关单位领导莅临展台参观，给予镓族科技的氧化镓产业化项目积极评价。2018年12月10日，北京市委书记蔡奇和市长陈吉宁一行参观“中关村示范区创新成果展暨中關村改革开放40周年”座谈会，镓族科技得到市领导的高度关注。

早在2017年12月，北京市政府公布的《加快科技创新发展新一代信息技术等10个高精尖产业的指导意见》中明确北京市在未来将重点发展新材料、节能环保、医药健康、新一代信息技术、集成电路等10大高精尖产业。而在《北京市加快科技创新发展新材料产业的指导意见》中明确：到2020年，要突破一批前沿新材料原始创新技术和关键战略材料核心制备技术，实现一批重大创新成果在京转化和产业化；前瞻性地布局前沿新材料研发，加快关键战略材料的研制。镓族科技的初创正值这一重大机遇期，自然而然获得了科技和产业推动者的关注。

镓族科技在成立之初，选择将公司立足于北京市顺义区。顺义区作为北京市推动关键战略材料产业集聚发展的新材料产业聚集区之一，承接着第3代半导体材料、高性能纤维及复合材料和高端装备用特种合金3大关键战略材料产业。镓族科技作为先进半导体研发企业，落户顺义不仅可享受到当地政府针对新材料企业实施的优惠产业政策，还能与许多半导体产业链上下游企业进行合作，利于企业相互协同发展。

唐为华教授说：“接下来，镓族科技还将建立适当的产业化研发平台，联合国内及国际优秀科技人员，对超宽禁带半导体氧化镓从材料、设备、器件到应用各个产业环节自主研发或协同攻关。承担重大研发项目，与创投基金合作，孵化氧化镓产业化项目，或进行技术转移。吸引国内外高层次人才加盟，使这个平台成为氧化镓产业的人才聚集地和技术聚集地。”未来的氧化镓产业技术研究平台，将利用北京在半导体材料与器件方面的科技优势，建设国际先进的氧化镓产业化研发中心，服务全国氧化镓产业更好地发展。

敢为天下先，必具有独特的视角和考量。镓族科技已经成为我国超宽禁带半导体产业化的先行者，迈出了第一步。唐为华教授说：“我们希望结合北京市的半导体产业布局，联合国内在宽禁带半导体领域的优势力量，提升我国宽禁带半导体产业的国际竞争力，稳固我国在氧化镓半导体材料上的领先地位，担国‘镓重任，为《中国制造2025》和实现民族科技自主化建设添砖加瓦。”