電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）從2022年美國(guó)商務(wù)部對(duì)氧化鎵和金剛石兩種半導(dǎo)體襯底實(shí)施出口管制，氧化鎵就開始受到更多關(guān)注。作為第四代半導(dǎo)體，氧化鎵的故事一直受限于材料量產(chǎn)和器件工藝上。氧化鎵的兩大應(yīng)用包括功率器件和光電探測(cè)器，但目前來看，這兩大氧化鎵的應(yīng)用場(chǎng)景依然未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

近年來，業(yè)界一直在材料上推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程，各大高校和研究機(jī)構(gòu)也開始試驗(yàn)更高性能的氧化鎵功率器件。不過最近氧化鎵領(lǐng)域已經(jīng)有一些非常亮眼的新進(jìn)展出現(xiàn)，包括材料和器件。有業(yè)內(nèi)人士稱，氧化鎵材料四年走完了碳化硅材料30年走的路程，而氧化鎵 FET器件的耐壓更是輕松超過9000V。

對(duì)比碳化硅，直到今年3月，Wolfspeed才正式發(fā)布了業(yè)界首款商用的10kV SiC MOSFET，可見未來氧化鎵期間的性能潛力。

中日氧化鎵產(chǎn)業(yè)狂飆

第四代半導(dǎo)體的一個(gè)重要特性就是“超寬禁帶”，禁帶寬度在4eV以上（金剛石5.5eV，β-Ga2O3 禁帶寬度4.2-4.9eV），相比之下，第三代半導(dǎo)體中碳化硅禁帶寬度僅為3.2eV，氮化鎵也只有3.4eV。更寬的禁帶，帶來的優(yōu)勢(shì)是擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更大，反映到器件上就是耐壓值更高，同樣以主流的β結(jié)構(gòu)Ga2O3 材料為例，其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化鎵也高出一倍以上。

目前，氧化鎵單晶襯底領(lǐng)域，日企占據(jù)較大的優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上的氧化鎵襯底市場(chǎng)幾乎被Novel Crystal公司壟斷。同時(shí)在產(chǎn)業(yè)化方面，由于襯底的優(yōu)勢(shì)，器件方面同樣是日企有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但中國(guó)近年在大尺寸氧化鎵襯底的快速發(fā)展下，晶圓級(jí)器件流片等方面已經(jīng)逐步追趕上領(lǐng)先水平。

今年2月27日，Novel Crystal實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)里程碑式突破，宣布從3月開始供應(yīng)6英寸β-Ga2O3襯底樣品，這也標(biāo)志著氧化鎵功率器件開始邁入規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用的時(shí)代。該公司表示，通過提供高質(zhì)量的單晶基板，公司能夠幫助合作伙伴提前進(jìn)行外延生長(zhǎng)和工藝開發(fā)工作，從而趕上2029年的大規(guī)模生產(chǎn)計(jì)劃。

Novel Crystal計(jì)劃在2027年開始生產(chǎn)6英寸β-Ga2O3外延片樣品；2029年利用其DG工藝實(shí)現(xiàn)6英寸β-Ga2O3外延片大規(guī)模量產(chǎn)，同時(shí)通過DG工藝獲得極具競(jìng)爭(zhēng)力的成本優(yōu)勢(shì)；到2035年目標(biāo)是為市場(chǎng)提供8英寸規(guī)格的β-Ga2O3襯底。

據(jù)Novel Crystal介紹，DG工藝是一種新一代單晶生長(zhǎng)技術(shù)，無需使用由貴金屬制成的坩堝，以大幅降低材料和設(shè)備成本。

國(guó)內(nèi)方面，富加鎵業(yè)、鎵仁半導(dǎo)體、鎵和半導(dǎo)體、銘鎵半導(dǎo)體等都在氧化鎵單晶襯底上實(shí)現(xiàn)了尺寸的超越。

比如今年3月，鎵仁半導(dǎo)體在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的8英寸氧化鎵同質(zhì)外延生長(zhǎng)，直接解決了氧化鎵大規(guī)模應(yīng)用的核心難題：大尺寸和高質(zhì)量外延層制備，為氧化鎵功率器件規(guī)模量產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，推動(dòng)氧化鎵SBD、MOSFET等器件的商業(yè)化。

而就在本周，富加鎵業(yè)宣布在國(guó)際上首次成功制備出12英寸氧化鎵單晶，刷新了全球氧化鎵單晶尺寸的最高紀(jì)錄。此前全球氧化鎵單晶主流在2–6英寸，2025年12月富加鎵業(yè)已聯(lián)合上海光機(jī)所實(shí)現(xiàn)國(guó)際首發(fā)8英寸VB法單晶。12英寸的實(shí)現(xiàn)，意味著單晶直徑直接躍升至與主流硅功率器件產(chǎn)線完全兼容的水平。

襯底尺寸一直是半導(dǎo)體行業(yè)的重要成本優(yōu)化路徑，SiC自2022年開始進(jìn)入8英寸時(shí)代后，市場(chǎng)規(guī)模隨著SiC襯底成本的不斷下跌而擴(kuò)大，SiC器件在新能源汽車上的應(yīng)用，從最早的30萬以上高端車型專屬，短短4年間下沉到10萬元級(jí)別市場(chǎng)。

氧化鎵襯底在短短三年間從主流2到4英寸，迅速突破至8英寸甚至是12英寸。12英寸晶圓面積約為8英寸的2.25倍、6英寸的4倍以上，單片襯底可切割的器件數(shù)量大幅增加，單位成本顯著攤薄，推動(dòng)氧化鎵功率器件包括SBD、MOSFET等從實(shí)驗(yàn)室奢侈品走向工業(yè)級(jí)可商用。

氧化鎵功率器件的量產(chǎn)困境

去年一家名不見經(jīng)傳的初創(chuàng)企業(yè)吸引了行業(yè)關(guān)注，這家名為Gallox semiconductors，由康奈爾大學(xué)孵化的初創(chuàng)企業(yè)，聲稱是全球首家將氧化鎵器件商業(yè)化的公司。根據(jù)Gallox的介紹，其致力于解決氧化鎵器件的制造挑戰(zhàn)，包括制造更薄的芯片以提升器件性能、在更大晶圓尺寸下的可靠生產(chǎn)、熱管理優(yōu)化、建立代工廠和封裝流程等。公司技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：更高效（節(jié)省電力、減少廢熱）、更?。ń档涂?a target="_blank">電阻和導(dǎo)通損耗）、更高功率密度（減少系統(tǒng)尺寸和復(fù)雜性）、更高頻率（允許更小、更輕的電容器和電感器）、更堅(jiān)固（適用于惡劣環(huán)境）、更低成本。

Gallox表示，氧化鎵二極管的峰值電壓比碳化硅二極管大三倍，比硅二極管大28倍。氧化鎵晶體管電流密度可以高達(dá)1 kA/cm2，對(duì)比之下，傳統(tǒng)硅晶體管電流密度普遍低于100A/cm2，碳化硅晶體管可以達(dá)到200-500 A/cm2。不過公司目前產(chǎn)品還處于工程樣品階段，大概以氧化鎵SBD為主。

去年4月，Novel Crystal全球首發(fā)了全氧化鎵基平面SBD產(chǎn)品，同樣是提供驗(yàn)證樣品，主要支持科研和早期客戶評(píng)估。

可以看到主要企業(yè)的氧化鎵器件都仍處于科研級(jí)別的階段，為什么氧化鎵功率器件難以真正大規(guī)模量產(chǎn)？

Ga?O?受主能級(jí)深、空穴有效質(zhì)量大、自補(bǔ)償與自陷效應(yīng)嚴(yán)重，導(dǎo)致p型導(dǎo)電率極低且不穩(wěn)定。所以就難以實(shí)現(xiàn)pn結(jié)，無法制造雙極型器件，實(shí)現(xiàn)氧化鎵的理論優(yōu)勢(shì)，比如超高擊穿場(chǎng)強(qiáng)等，這對(duì)于氧化鎵的商業(yè)化是致命性的缺陷，因?yàn)闊o法對(duì)SiC等現(xiàn)有的器件實(shí)現(xiàn)超越，而價(jià)格又更高，商業(yè)上毫無優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)驗(yàn)室中，目前有NiO異質(zhì)結(jié)、能量驅(qū)動(dòng)相變或特定摻雜來實(shí)現(xiàn)pn結(jié)/常關(guān)結(jié)構(gòu)，如日本FLOSFIA α-Ga?O? MOSFET，但晶圓級(jí)穩(wěn)定、高激活率p型仍未突破，難以規(guī)模化。

另外，氧化鎵熱導(dǎo)率僅為硅的1/5左右，遠(yuǎn)低于SiC/GaN，高功率密度下自熱效應(yīng)嚴(yán)重，易造成性能退化、熱失效或可靠性下降。如果用在電網(wǎng)等高功率場(chǎng)景中，散熱問題會(huì)成為應(yīng)用瓶頸，目前主流的解決方式是引入金剛石或石墨烯緩沖層等提高散熱能力，但整體來看仍未有一個(gè)成熟的封裝方案。

小結(jié)：

2026年，氧化鎵可能已經(jīng)處于爆發(fā)前夜，大尺寸材料突破加速，散熱和p型有實(shí)驗(yàn)室方案，但從“可演示”到“可量產(chǎn)、高可靠、低成本”仍需跨越多重門檻。行業(yè)普遍認(rèn)為，未來2-3年有望解決良率、一致性和可靠性，預(yù)計(jì)2027-2029年后可能在特定中高壓領(lǐng)域，包括工業(yè)電源、快充樁、電網(wǎng)等領(lǐng)域，進(jìn)入小批量驗(yàn)證階段。