然而，SiC 和 GaN 并不是终点，近年来日本对氧化镓(Ga2O3，后简称GaO，与GaN对照)的研究屡次取得进展，使这种第四代半导体的代表材料走入了人们的视野，凭借其比 SiC 和 GaN 更宽的禁带、耐高压、大功率等更优的特性，以及极低的制造成本，在功率应用方面具有独特优势。因此，近几年关于氧化镓的研究又热了起来。
实际上，氧化镓并不是很新的技术，一直以来都有公司和研究机构对其在功率半导体领域的应用进行钻研。但受限于材料供应被日本两家公司垄断，研究受到比较大的阻碍，相关研发工作的风头都被后二者抢去。而随着应用需求的发展愈加明朗，未来对高功率器件的性能要求越来越高，人们更深切地看到了氧化镓的优势和前景，相应的研发工作又多了起来，氧化镓已成为美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。另一方面，我国在这方面的研究仍比较欠缺，在日本已经可以推出批量产品、我国国内市场每年翻倍的当下，国内产业化程度仍处于非常初级的阶段。
一、半导体材料的代际之分
首先我们先了解下各个代际半导体的情况：
1.第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）的元素半导体材料。第一代半导体材料，尤其是硅，在半导体器件的发展和应用中牢牢占据着统治地位，是大规模集成电路、模拟IC、传感器等器件的材料基础，硅的加工技术是摩尔定律得以实现的基石。硅基芯片在电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，致使产业外的很多人一提到半导体以为指的就是硅。
2.第二代半导体材料主要是指砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等的化合物半导体材料，此外还包含三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP，还有一些固溶体半导体如Ge-Si、GaAs-GaP，玻璃半导体（又称非晶态半导体）如非晶硅、玻璃态氧化物半导体，有机半导体如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
3.第三代半导体材料是指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他四个领域，每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。
4.第四代半导体材料主要是以金刚石（C）、氧化镓（GaO）、氮化铝（AlN）为代表的超宽禁带（UWBG）半导体材料，禁带宽度超过4eV，以及以锑化物（GaSb、InSb）为代表的超窄禁带（UNBG）半导体材料。在应用方面，超宽禁带材料会与第三代材料有交叠，主要在功率器件领域有更突出的特性优势；而超窄禁带材料，由于易激发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用。
需要强调的是，实际上四个代际的半导体材料并不是后面的要取代前面，而是对硅材料形成了重要补充。
二、氧化镓材料的特性
氧化镓是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β相最稳定。
图：β相氧化镓晶体结构（网络）
业界与GaO的结晶生长及物性相关的研究报告大部分都使用β相，国内也普遍使用β相展开研发。β相具备名为“β-gallia”的单结晶构造。β相的带隙很大，达到4.8～4.9eV，这一数值为Si的4倍多，而且也超过了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情况下，带隙较大，击穿电场强度也会很大。β相的击穿电场强度估计为8MV/cm左右，达到Si的20多倍，相当于SiC及GaN的2倍以上，目前已有研究机构实际做出来6.8MV/cm的器件。
图：半导体材料特性（郝跃院士）
β相在展现出色的物性参数的同时，也有一些不如SiC及GaN的方面，这就是迁移率和导热率低，以及难以制造p型半导体。不过，目前研究表明这些方面对功率元件的特性不会有太大的影响。之所以说迁移率低不会有太大问题，是因为功率元件的性能很大程度上取决于击穿电场强度。就β相而言，作为低损失性指标的“巴利加优值（Baliga’s figure of merit）”与击穿电场强度的3次方成正比、与迁移率的1次方成正比。巴加利优值较大，是SiC的约10倍、GaN的约4倍。
Baliga性能指数是由原在美国General Electric从事多年功率半导体研发工作、现在美国北卡罗莱纳州州立大学担任名誉教授的Jayant Baliga先生提出的，用于Power MOS FET等单极元件(Unipolar Device)的性能评价。有将低频的理论损耗定量化的“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和将高频的理论损耗定量化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半导体的研发领域，一般多实用低频的BFOM。
图：功率半导体材料对比（半导体行业观察译自PC.watch）
由于β相的巴利加优值较高，因此，在制造相同耐压的单极功率器件时，元件的导通电阻比采用 SiC 或 GaN 的低很多，有实验数据表明，降低导通电阻有利于减少电源电路在导通时的电力损耗。使用β相的功率器件，不仅能减少导通时的电力损耗，还可降低开关时的损耗，因为在耐压 1kV 以上的高耐压应用方面，可以使用单极元件。
图：在电流和电压需求方面Si，SiC，GaN和GaO功率电子器件的应用(Flosfia介绍)
比如，设有利用保护膜来减轻电场向栅极集中的单极晶体管(MOSFET)，其耐压可达到 3k～4kV。而使用硅的话，在耐压为 1kV 时就必须使用双极元件，即便使用耐压较高的 SiC，在耐压为 4kV 时也必须使用双极元件。双极元件以电子和空穴为载流子，与只以电子为载流子的单极元件相比，在导通和截止的开关操作时，沟道内的载流子的产生和消失会耗费时间，损失容易变大。
在热导率方面，如果该参数低，功率器件很难在高温下工作。不过，实际应用中的工作温度一般不会超过 250℃，因此，实际应用当中不会在这方面出现大的问题。由于封装有功率器件的模块和电源电路使用的封装材料、布线、焊锡、密封树脂等的耐热温度最高也不过 250℃，因此功率器件的工作温度也要控制在这一水平之下。
再从另一个角度看，易于制造的天然衬底，载流子浓度的控制以及固有的热稳定性也推动了GaO器件的发展。相关论文表示，用Si或Sn对GaO进行N型掺杂时，可以实现良好的可控性。
尽管某些UWBG半导体（例如氮化铝AlN，立方氮化硼c-BN和金刚石）在BFOM图表中击败了GaO，但它们的材料制备、器件加工等环节受到了严格的限制。换而言之，AlN、c-BN和金刚石仍然缺乏大规模产业化的技术积累。
图：关键材料（Si,SiC,GaN,GaO）特性对比（IEEE）
相关统计数据显示，从数据上看，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3，即在SiC比Si已经降低86%损耗的基础上，再降低86%的损耗，这让产业界人士对其未来有很高的期待。
图：GaO成本构成（Compound Semiconductor）
而成本更是让其成为一个吸引产业关注的另一个重要因素。
SiC晶锭的制作普遍采用PVT法，将固态SiC加热至2500℃升华后再在温度稍低的高质量SiC籽晶上重新结晶，核心难点在于：
1）加热温度高达2500℃，且SiC生长速度很慢（<1mm/h）；
2）生长出的晶锭尺寸远远短于Si；
3）对籽晶要求很高，需要具备高质量、与所需晶体直径一致等特点；
4）SiC晶锭硬度较高，加工及抛光难度大；
基于SiC衬底，普遍采用化学气相沉积技术（CVD）获得高质量外延层，随后在外延层上进行功率器件的制造。由于SiC衬底晶圆相比Si具有更高的缺陷密度，会进一步干扰外延层生长，外延层本身也会产生结晶缺陷，影响后续器件性能。
GaO和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状（Bulk）单结晶状态。实际上，通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的导模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已试做出最大直径为6英寸（150mm）的晶圆，直径为2英寸（50mm）的晶圆已经开始销售作研究开发方向的用途。这种工艺的特点是良品率高、成本低廉、生长速度快、生长晶体尺寸大。
另一家Flosfia使用的“雾化法”已制作出4英寸（100mm）的α相晶圆，成本已接近于硅。而碳化硅（ SiC ）与氮化镓 （GaN）材料目前只能使用“气相法”进行制备，未来成本也将继续受到衬底高成本的阻碍而难以大幅度下降。对于 GaO来说，高质量与大尺寸的天然衬底，相对于目前采用的宽禁带 SiC 与 GaN 技术，将具备独特且显著的成本优势。
