半导体中的“金属终结者”

　　上善若水

　　《终结者》里的液态金属

　　可控制、可塑形，能够自由在固态液态间转化，《终结者2》里的反派T-1000 机器人曾在不少人的童年记忆里留下重重一笔。而现实中，真实存在着一种类似的物质，这就是号称“金属终结者”的金属——镓。

　　镓元素在元素周期表中处于第四周期Ⅲ A 族，纯镓的熔点很低，仅为29.78℃，低熔点可以使该元素在熔点附近反复从液相到固相进行转化，实现“变形”。镓在较低的温度下即可与许多金属形成合金，这种合金化过程实际上是一种金属间的互溶现象。

　　镓以其独特的性能，在半导体、太阳能电池、氢能源和医疗领域有良好的应用前景，其中应用最多的领域就是新兴半导体行业，占到整个镓消费量的80% 以上，更是第四代半导体的关键材料。

　　横跨数代半导体材料

　　镓在半导体领域的应用历史极为悠久，目前镓金属是在半导体中应用量最大的金属，其主要落地应用领域为第二代砷化镓衬底以及第三代氮化镓外延。外延金属材料通常存在的形式为衬底材料的延伸薄膜层，目前主要涉及金属材料的外延片为第三代半导体材料氮化镓，对于氮化镓而言这也是其在市场上的主要存在形式，大部分宽禁带半导体器件都是在氮化镓外延层上制作的。

　　相较于芯片的底衬、外延，在整个“镓体系”中最为大众熟悉的恐怕是氮化镓（GaN）了，其被誉为是继第一代 Ge、Si 半导体材料，第二代 GaAs、InP 化合物半导体材料之后的第三代半导体材料，相较于硅和砷化镓，氮化镓可以在更高的电场强度下工作，这使得它在高压电力电子设备中有优势。同时，氮化镓具有很高的热导率，使得它在高功率设备中有良好的表现，不少人的笔记本充电器又或者移动电源中，都使用了氮化镓材料。

　　氧化镓（Ga2O3）则是“镓体系”

　　中布局第四代半导体的存在。相比第一至第三代半导体，第四代半导体最直观的优势体现在超宽的带隙（Eg）与大击穿场强（Eb）上，因而能够承受更高电压与功率所带来的挑战。新兴的氧化镓拥有更宽的带隙（大约4.8eV），使其在高压、高频的电力电子设备中有显著优势。这也意味着它可以在更极端的环境中工作，例如更高的温度和更强的辐射。另一方面，氧化镓的制备成本较低，使其在5G 通信、 新能源汽车、雷达等方面大规模应用上具有优势。

　　目前各国在氧化镓上的布局采取企业+ 政府携手的模式，我国氧化镓的研究目前集中于科研领域，产业化进程刚刚起步，但是进展飞速，且今年我国科技部将氧化镓列入十四五重点研发计划，让第四代半导体获得更广泛关注，而邻国日本也将氧化镓纳入 “高输出和高效功率器件 / 高频器件材料技术开发” 项目中。此项目隶属于日本政府重磅推出的K 计划，以期争取更多话语权。

　　总体而言，基于硅体系的集成电路芯片发展最为成熟，已经形成了完整的体系生态。但硅体系是美西方掌握话语权的体系生态，我国使用先进的装备、电子设计自动化（EDA）工具都会受到严格限制，但作为硅体系领跑者的美西方，对发展“镓体系”半导体科技意愿不强，我国的“镓体系”半导体科技体系在持续追赶下，同美西方的差距相对较小。仅以中国科学院半导体研究所为例，从早期的砷化镓激光器、氮化镓激光器，到近期的高性能锑化镓红外探测器和激光器，以及氮化镓蓝光发光二极管，其科技工作的深度和水平同国际一流研发机构相比也基本能处于“并跑”行列，大力发展“镓体系”半导体科技，并形成“体系”和“生态”，将有助于我国确立在新赛道上的领先优势。

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