氧化镓的主要应用场景
半导体材料是现代信息技术的基石，半导体材料的发展推动了电子、信息、通信、能源等领域的快速发展。其中，以Si、Ge为代表的第一代半导体材料推动了信息技术革命；以GaAs、InP为代表的第二代化合物半导体材料在无线电通信、微波雷达以及红光LED等方面有重要的应用；第三代半导体材料也被称为宽禁带半导体材料，以SiC、GaN和ZnO等材料为代表，在功率器件、短波长光电器件透明导电等领域有着广泛的应用。目前，禁带宽度更大的金刚石、氧化镓、氮化铝等超宽禁带半导体材料，在节能减排、信息技术、国防装备等领域逐渐展现出重要的应用前景。超宽禁带半导体氧化镓（Ga2O3）相对于传统的Si、GaAs等窄禁带半导体材料和SiC、GaN等宽禁带半导体材料而言，具有更大的禁带宽度、击穿场强、更高的巴利加优值、耐高温、抗辐照等优异特性，在发展高温、大功率、强抗辐照功率器件和光电器件应用领域具有很大的潜力。Ga2O3是唯一可以从半绝缘导电状态调节到导电状态的超宽禁带半导体材料，并且Ga2O3可以通过熔融法制备单晶，这使得Ga2O3具备像硅一样的低制备成本的潜力。据估计，到2030年，Ga2O3衬底全球市场规模将达到60亿元人民币，Ga2O3外延成长市场规模将达到50亿元。目前Ga2O3正处于产业化的关键阶段，并没有不可克服的问题阻碍其发展。
Ga2O3具有4.4-5.3 eV的禁带宽度、8 MV·cm-1的击穿场强、较大的电子饱和速度以及高达3400的巴利加优值，可用于制备高耐压、大功率、低损耗功率器件和深紫外光电器件，已成为美国、日本、德国、法国等发达国家及我国在半导体材料领域的研究、竞争重点。
1.Ga2O3功率器件
功率器件是电力电子设备实现电力转换和电路控制的核心元器件，可广泛应用于新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩、电网、铁路、工业电机、智能家居、消费电子、数据中心、UPS等领域。随着硅基功率器件工艺结构提升逐渐接近理论极限，利用宽禁带半导体材料制造功率器件体现出比硅基材料更优异的特性。新能源汽车持续提升充电功率、缩短充电时间，电压将从400 V提升到1000 V甚至更高的水平，高电压成为了新能源汽车行业的发展趋势。光伏系统电压提升是降低平准化度电成本的重要途径，高压系统线损更低、系统效率更高，光伏系统电压从600 V提升到1000 V、1500 V高压系统成为大型光伏项目发的展趋势。新能源行业高电压需求，带动上游功率器件高压器件占比持续提升。相比于传统硅基材料，宽禁带半导体材料在耐压和开关频率上具有更佳的性能，在相同工作电压情况下，宽禁带半导体功率器件厚度更薄、尺寸更小、导通电阻更低、能量损失更小，未来将会逐步替代硅基功率器件成为高压应用领域的市场主流。根据Omdia的分析，SiC和GaN市场将从2020年的8.88亿美元增长到2030年的175.77亿美元，复合年均增长率为34.79%。其中，汽车市场是规模最大增速最高的细分市场，汽车市场将从2020年的1.63亿美元增长到2030年的124.24亿美元，复合年均增长率为54.26%。电源市场也需求较大增速较快，将从2020年的1.46亿美元增长到2030年的19.14亿美元，复合年均增长率为29.38%。SiC和GaN由于材料自身的特性，其单晶生长周期长、成本高，与之相比，通过熔体法生长的Ga2O3在成本上就具有相当大的优势。除此之外，Ga2O3禁带宽度更大、临界击穿场强更高，巴利加优值为3400，是SiC的10倍、GaN的4倍，其性能更是远远高于SiC和GaN。Ga2O3功率器件将应用在650 V、1200 V、1700 V、3300 V的高压市场中，预计2025-2030年将全面渗透车载和电气设备领域。据富士经济预测，2030年Ga2O3功率器件市场规模将达到15.42亿美元。
2.Ga2O3日盲深紫外探测器
太阳光作为能量最强的自然光源、其直接或间接产生的背景辐射对工作在近地表面的许多光电探测设备都会造成严重干扰，但200-280 nm区域的太阳光辐射由于臭氧层的吸收到达不了地面，被称为日盲区。因此日盲深紫外探测器可以避开最强的自然光源在背景噪声极低的环境下工作，从而大大降低信号处理的难度。与红外探测系统相比，紫外探测系统具有抗干扰能力强、无需制冷和扫描、重量轻、体积小、成本低等优点。紫外探测技术已广泛应用于导弹逼近告警、紫外通信、空间探测、指纹识别、高压电晕监测、环境检测、火灾预警等领域。在民用领域以电网安全监测为例，电力设备的局部电晕放电会引起电力损耗、加快设备损坏、降低导线使用寿命、干扰无限电和高频通信。据不完全统计，全国每年因电晕损耗的电能达到了20.5亿kW·h。一般情况下，电晕放电的紫外光谱主要集中在 200-400 nm波段，利用日盲波段紫外探测器进行电晕检测可以发现设备的早期隐患。在国防领域，日盲波段紫外线可用于红外线紫外双色制导、导弹识别跟踪、舰载通讯、深空探测等，可有效满足未来战争对超长距离和超高精度打击的需求。如导弹所产生的高温羽焰温度在1000-3300 K，辐射光谱范围广；另外，大量未充分燃烧尽的固体燃料存在于导弹的尾气流中，这些燃料随后会发生化学反应释放出紫外线。日盲波段紫外探测可以用于导弹尾焰检测和国防预警，基于日盲波段的优势，可以大大降低误报警率，实现5-10 km的报警距离。对于紫外制导导弹，是雷达告警所不能探测到的，利用高灵敏度的紫外探测器可以进行近距离的预警，保护直升机和运输机等慢速平台免受导弹攻击。一言以蔽之，日盲紫外探测技术是电子领域尖端技术、国际军事制高点。
目前，已投入商用的紫外探测器主要有硅基紫外探测器和光电倍增管，硅基紫外探测器需要附带滤光片，光电倍增管需要在高电压下工作，而且体积笨重、效率低、易损坏且成本高，对实际应用有一定的局限性。相比之下，基于宽禁带半导体材料的固态紫外探测器件具有重量轻、功耗低、探测效率高、便于集成等特点。这些材料的禁带宽度往往要大于4.4 eV，具有较高的热稳定性和化学稳定性，可应用于高辐射、高温等恶劣环境中。目前研究比较多的材料集中在AlGaN、ZnMgO和金刚石上。但AlGaN由于其薄膜需要极高温生长并难以外延成膜，ZnMgO在单晶纤锌矿的结构下很难保持超过4.5 eV的带隙，金刚石具有固定的5.5 eV的带隙，对应波长225 nm，只占据日盲紫外波长的一小段且制备成本高。Ga2O3的禁带宽度约为4.4-5.3 eV，刚好对应日盲紫外波段，而且Ga2O3单晶和外延薄膜生长容易、制备成本相对较低，是一种非常适合制备日盲紫外光电探测器的本征氧化物半导体材料。
