张辉专访：推动氧化镓半导体材料实验室到产业化的全面进程

杭州镓仁半导体成立于2022年9月，是一家专注于氧化镓等超宽禁带半导体单晶衬底及外延材料研发的科技型企业。公司开创了非导模法氧化镓单晶生长新技术，突破了国际市场对氧化镓材料的垄断，可提供具有完全自主知识产权的氧化镓单晶衬底材料。目前，公司已形成一支以中科院院士为首席顾问的研发和生产团队，持续为我国电力电子等产业的发展提供材料保障。

国家重点实验室走出的创业家

张辉口中的浙江大学硅材料国家重点实验室历史悠久，1985年由原国家计委批准投资建设，1988年正式对外开放，是国内最早建成开放的国家重点实验室之一。

这一实验室产出过多个科技转化成果，孵化出多家上市企业，比如国内微电子硅单晶的头部企业浙江金瑞泓，光伏行业的常州时创能源等公司，都有实验室转化的技术，培养的学生中有不少已成为知名企业的骨干……

在浓郁创业氛围下，怀揣梦想的张辉，也开启了自己的创业之旅。

秉承硅材料国家重点实验室创始人阙端麟院士的理念，时任国家重点室主任的杨德仁院士一直倡导“产、学、研”的模式，推动科学研究服务于国家的经济建设。2018年，在杨德仁院士的安排和直接指导下，张辉与夏宁博士一起在实验室开始了氧化镓材料的研发与产业化的研究。当时，张辉就有一个意识：氧化镓材料的研发绝不能停留于实验室，必须要走出去，实现产业化。

在张辉看来，在宽禁带半导体材料中，除了氧化镓以外，其他材料如氮化镓、碳化硅、氮化铝，金刚石等目前主要是通过气相法来实现，而氧化镓是唯一可用常压熔体法制备的宽禁带半导体材料，即从熔体（液相）中凝固形成单晶的方法，此类方法在硅晶体的制备中已取得巨大成功。当确定氧化镓衬底材料是目前整个产业链的瓶颈之后，张辉和团队意识到，只有提升材料的生长速度，降低成本，并提高晶体质量，才能真正促使氧化镓产业化。

2020年前后，通过不懈的努力和研究，终于在实验室成功生长了小直径的氧化镓晶体，掌握了初步生长技术。此时，浙江大学杭州国际科创中心的成立，给该项目带来了新的机遇。作为杭州国际科创中心支持的研发项目，得益于中心灵活的科研体制，不仅在技术上取得进一步突破，成功生长出2英寸的氧化镓单晶，实现了氧化镓单晶材料的小试。而且，在中心的支持下，成功孵化了镓仁半导体公司，开始了氧化镓半导体材料的产业化之路。

低成本照亮产业规模化之道

在镓仁半导体同事的印象中，张辉是完全的技术派，通过硬技术走出一条道。而张辉自己明白，技术在实验室里与产业界有着巨大的区别。

张辉告诉《科创板日报》记者，想做产业化除了材料本身性能好以外，还有非常重要的因素，即生产成本要低。“现在，碳化硅材料仍非常昂贵，碳化硅功率器件价格数倍于硅基器件。作为第四代半导体材料，氧化镓与碳化硅的竞争焦点就是低成本。”

张辉对于氧化镓产业的发展和迭代十分了解。他说，“日本等西方国家均采用导模法，但这一方法需要用到大量金属铱来制作坩埚，通常情况下4英寸氧化镓的坩埚至少需要用到5Kg铱；而铱是一种贵金属，价格昂贵，导致氧化镓成本高。同时，导模法的技术路线可能会引发知识产权纠纷。”

基于这些考虑，在2018年创业时，张辉就在想能不能走出一条既能大幅降低氧化镓成本，又有自主知识产权的技术路线。

回忆当初的研发，张辉说道，在三年研发和迭代过程中，团队对氧化镓材料的研发进行了非常多的尝试和新方法研究；现在镓仁半导体已完全掌握了一套全新的、具有完全自主知识产权的核心技术，即铸造法。而该方法的获得，源于一个偶然的机会。

“在做氧化镓直拉法时，我们偶然发现了铸造法，铸造法是一种全新的氧化镓晶体生长方法，这种方法拥有多种好处，一是可以大幅减少铱的用量，经过初步测算，可减少近80%；二是因为铱坩埚暴露在氧化环境中面积更少，每次坩埚的损耗也小。”这一肉眼可见的成本降低，让处于一线研究的张辉和团队大为振奋，降低了成本就意味着可以推动大规模产业化。

采访中，张辉还自豪地告诉记者：“铸造法还有一个显著的产业化优点，技术路线和工艺相对简单、流程也短……这些均有利于实现自动控制。可以说，随着工艺的成熟，可大幅降低生产中的人力成本。并且，氧化镓有可能像硅单晶材料一样，做出高质量大尺寸的单晶衬底，为了实现这一目标，还需要解决晶体中的应力问题。”

按照张辉的战略规划，氧化镓2英寸、4英寸、6英寸，以致8英寸衬底……这些都是镓仁半导体在今后需要突破、实现的目标。

研发大尺寸衬底，静待爆发前夜

大尺寸和高质量一直是张辉和镓仁半导体研发的方向。

据张辉透露，目前利用铸造技术制备大尺寸氧化镓晶体的技术路径已经走通，接下来主要是工艺的优化。

“铸造法中，团队通过解决氧化镓的固液界面失稳、籽晶热冲击产生高密度位错、温度梯度的调控以及晶体开裂等诸多问题，优化了铸造工艺，突破了生长、加工等工艺中各项技术难题后，已经获得了高质量氧化镓单晶衬底。同时，公司已获得了国内十余项授权专利，并且国际专利也在受理中。”

而要从2英寸、4英寸等小尺寸到最终的6英寸、8英寸大尺寸衬底，张辉表示，还需要在工艺上进行反复研究，优化温度梯度。

“铸造法最大的特点是成本低、产量大、工艺简单，之前学术界、产业界都没有想到能利用铸造法制备氧化镓单晶，而团队通过技术突破，成功地获得高质量的氧化镓单晶材料，用事实证明了这是一条可行的新的技术路线。如果今后能进一步将晶体生长的温度梯度控制好，可能可以实现更大尺寸的氧化镓单晶生长。”

这些突破和新认知，都与硅材料国家重点实验室在硅晶体材料的研发、成果转化有几十年经验积累息息相关，需要技术团队在晶体生长领域对材料的每一种生长技术、原理、工艺、设备都非常了解，能够实现触类旁通，开发出氧化镓新的生长方法。

截至目前，张辉表示，镓仁半导体已实现了2英寸氧化镓衬底的中试，良品率已经高于碳化硅，4英寸产品即将突破。“第一轮天使轮完成后，公司加大了对研发人员的招募，目前团队已有30余人，绝大部分是具有博士、硕士学位的研发人员，其背景涵盖物理、化学、材料及半导体器件等领域，形成了多学科交叉融合的优秀团队。

从产业链环节上看，张辉称，上游氧化镓原料的品质还需要进一步提高，现在氧化镓的纯度基本上是五个“9”，与电子级硅原料差距较大，所以其纯度还有很大提升空间。“材料纯度的高低直接影响了器件的性能和应用，比如在电网应用时，器件要稳定工作，不能断电，否则将给电网带来灾难。所以在研发时，团队也跟国内上游几家氧化镓原料企业保持紧密合作，以保持供应链的稳定。”

中游氧化镓单晶生长的核心是装备。我们的铸造设备坚持自研，同步公司已经开展外延的研发，将努力为器件厂家提供高质量的氧化镓外延片。在衬底、外延研发完成后，将进一步推动下游应用，有望将氧化镓器件应用于国防军工、国家电网、新能源汽车、轨道交通、5G通信等重要领域。

从2018年成立团队研发，到2022年产业化建立公司完成天使轮融资；从大学老师，到下海实干创业。，一步一个脚印，张辉和团队埋头实干，做出了不错的成果。在有了2英寸氧化镓单晶产品之后，张辉有信心研发出更大尺寸、更高质量、更低成本的氧化镓单晶产品。按张辉的话说，现在正静待产业的爆发，让梦想照亮现实。