然而，SiC 和 GaN 并不是終點，近年來日本對氧化鎵(Ga2O3，后簡稱GaO，與GaN對照)的研究屢次取得進展，使這種第四代半導體的代表材料走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優的特性，以及極低的制造成本，在功率應用方面具有獨特優勢。因此，近幾年關于氧化鎵的研究又熱了起來。
實際上，氧化鎵并不是很新的技術，一直以來都有公司和研究機構對其在功率半導體領域的應用進行鉆研。但受限于材料供應被日本兩家公司壟斷，研究受到比較大的阻礙，相關研發工作的風頭都被后二者搶去。而隨著應用需求的發展愈加明朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，人們更深切地看到了氧化鎵的優勢和前景，相應的研發工作又多了起來，氧化鎵已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。另一方面，我國在這方面的研究仍比較欠缺，在日本已經可以推出批量產品、我國國內市場每年翻倍的當下，國內產業化程度仍處于非常初級的階段。
一、半導體材料的代際之分
首先我們先了解下各個代際半導體的情況：
1.第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）的元素半導體材料。第一代半導體材料，尤其是硅，在半導體器件的發展和應用中牢牢占據著統治地位，是大規模集成電路、模擬IC、傳感器等器件的材料基礎，硅的加工技術是摩爾定律得以實現的基石。硅基芯片在電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、硅光伏產業中都得到了極為廣泛的應用，致使產業外的很多人一提到半導體以為指的就是硅。
2.第二代半導體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等的化合物半導體材料，此外還包含三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP，還有一些固溶體半導體如Ge-Si、GaAs-GaP，玻璃半導體（又稱非晶態半導體）如非晶硅、玻璃態氧化物半導體，有機半導體如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。
3.第三代半導體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料。在應用方面，根據第三代半導體的發展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他四個領域，每個領域產業成熟度各不相同。在前沿研究領域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發階段。
4.第四代半導體材料主要是以金剛石（C）、氧化鎵（GaO）、氮化鋁（AlN）為代表的超寬禁帶（UWBG）半導體材料，禁帶寬度超過4eV，以及以銻化物（GaSb、InSb）為代表的超窄禁帶（UNBG）半導體材料。在應用方面，超寬禁帶材料會與第三代材料有交疊，主要在功率器件領域有更突出的特性優勢；而超窄禁帶材料，由于易激發、遷移率高，主要用于探測器、激光器等器件的應用。
需要強調的是，實際上四個代際的半導體材料并不是后面的要取代前面，而是對硅材料形成了重要補充。
二、氧化鎵材料的特性
氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結晶形態截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩定。
圖：β相氧化鎵晶體結構（網絡）
業界與GaO的結晶生長及物性相關的研究報告大部分都使用β相，國內也普遍使用β相展開研發。β相具備名為“β-gallia”的單結晶構造。β相的帶隙很大，達到4.8～4.9eV，這一數值為Si的4倍多，而且也超過了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情況下，帶隙較大，擊穿電場強度也會很大。β相的擊穿電場強度估計為8MV/cm左右，達到Si的20多倍，相當于SiC及GaN的2倍以上，目前已有研究機構實際做出來6.8MV/cm的器件。
圖：半導體材料特性（郝躍院士）
β相在展現出色的物性參數的同時，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導熱率低，以及難以制造p型半導體。不過，目前研究表明這些方面對功率元件的特性不會有太大的影響。之所以說遷移率低不會有太大問題，是因為功率元件的性能很大程度上取決于擊穿電場強度。就β相而言，作為低損失性指標的“巴利加優值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場強度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。巴加利優值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。
Baliga性能指數是由原在美國General Electric從事多年功率半導體研發工作、現在美國北卡羅萊納州州立大學擔任名譽教授的Jayant Baliga先生提出的，用于Power MOS FET等單極元件(Unipolar Device)的性能評價。有將低頻的理論損耗定量化的“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和將高頻的理論損耗定量化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半導體的研發領域，一般多實用低頻的BFOM。
圖：功率半導體材料對比（半導體行業觀察譯自PC.watch）
由于β相的巴利加優值較高，因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時，元件的導通電阻比采用 SiC 或 GaN 的低很多，有實驗數據表明，降低導通電阻有利于減少電源電路在導通時的電力損耗。使用β相的功率器件，不僅能減少導通時的電力損耗，還可降低開關時的損耗，因為在耐壓 1kV 以上的高耐壓應用方面，可以使用單極元件。
圖：在電流和電壓需求方面Si，SiC，GaN和GaO功率電子器件的應用(Flosfia介紹)
比如，設有利用保護膜來減輕電場向柵極集中的單極晶體管(MOSFET)，其耐壓可達到 3k～4kV。而使用硅的話，在耐壓為 1kV 時就必須使用雙極元件，即便使用耐壓較高的 SiC，在耐壓為 4kV 時也必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴為載流子，與只以電子為載流子的單極元件相比，在導通和截止的開關操作時，溝道內的載流子的產生和消失會耗費時間，損失容易變大。
在熱導率方面，如果該參數低，功率器件很難在高溫下工作。不過，實際應用中的工作溫度一般不會超過 250℃，因此，實際應用當中不會在這方面出現大的問題。由于封裝有功率器件的模塊和電源電路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過 250℃，因此功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。
再從另一個角度看，易于制造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩定性也推動了GaO器件的發展。相關論文表示，用Si或Sn對GaO進行N型摻雜時，可以實現良好的可控性。
盡管某些UWBG半導體（例如氮化鋁AlN，立方氮化硼c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了GaO，但它們的材料制備、器件加工等環節受到了嚴格的限制。換而言之，AlN、c-BN和金剛石仍然缺乏大規模產業化的技術積累。
圖：關鍵材料（Si,SiC,GaN,GaO）特性對比（IEEE）
相關統計數據顯示，從數據上看，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，即在SiC比Si已經降低86%損耗的基礎上，再降低86%的損耗，這讓產業界人士對其未來有很高的期待。
圖：GaO成本構成（Compound Semiconductor）
而成本更是讓其成為一個吸引產業關注的另一個重要因素。
SiC晶錠的制作普遍采用PVT法，將固態SiC加熱至2500℃升華后再在溫度稍低的高質量SiC籽晶上重新結晶，核心難點在于：
1）加熱溫度高達2500℃，且SiC生長速度很慢（<1mm/h）；
2）生長出的晶錠尺寸遠遠短于Si；
3）對籽晶要求很高，需要具備高質量、與所需晶體直徑一致等特點；
4）SiC晶錠硬度較高，加工及拋光難度大；
基于SiC襯底，普遍采用化學氣相沉積技術（CVD）獲得高質量外延層，隨后在外延層上進行功率器件的制造。由于SiC襯底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度，會進一步干擾外延層生長，外延層本身也會產生結晶缺陷，影響后續器件性能。
GaO和藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶狀態。實際上，通過運用與藍寶石晶圓生產技術相同的導模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已試做出最大直徑為6英寸（150mm）的晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶圓已經開始銷售作研究開發方向的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低廉、生長速度快、生長晶體尺寸大。
另一家Flosfia使用的“霧化法”已制作出4英寸（100mm）的α相晶圓，成本已接近于硅。而碳化硅（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）材料目前只能使用“氣相法”進行制備，未來成本也將繼續受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對于 GaO來說，高質量與大尺寸的天然襯底，相對于目前采用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術，將具備獨特且顯著的成本優勢。
