氧化镓量产里程碑涌现！第四代半导体器件即将到来？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）从2022年美国商务部对氧化镓和金刚石两种


半导体


衬底实施出口管制，氧化镓就开始受到更多关注。作为第四代半导体，氧化镓的故事一直受限于材料量产和器件工艺上。氧化镓的两大应用包括功率器件和


光电




探测器


，但目前来看，这两大氧化镓的应用场景依然未实现大规模应用。




近年来，业界一直在材料上推进商业化进程，各大高校和研究机构也开始试验更高性能的氧化镓功率器件。不过最近氧化镓领域已经有一些非常亮眼的新进展出现，包括材料和器件。有业内人士称，氧化镓材料四年走完了碳化硅材料30年走的路程，而氧化镓 FET器件的耐压更是轻松超过9000V。




对比碳化硅，直到今年3月，Wolfspeed才正式发布了业界首款商用的10kV SiC


MOSFET


，可见未来氧化镓期间的性能潜力。





中日氧化镓产业狂飙





第四代半导体的一个重要特性就是“超宽禁带”，禁带宽度在4eV以上（金刚石5.5eV，β-Ga2O3 禁带宽度4.2-4.9eV），相比之下，第三代半导体中碳化硅禁带宽度仅为3.2eV，


氮化镓


也只有3.4eV。更宽的禁带，带来的优势是击穿电场强度更大，反映到器件上就是耐压值更高，同样以主流的β结构Ga2O3 材料为例，其击穿电场强度约为8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化镓也高出一倍以上。




目前，氧化镓单晶衬底领域，日企占据较大的优势，国际上的氧化镓衬底市场几乎被Novel Crystal公司垄断。同时在产业化方面，由于衬底的优势，器件方面同样是日企有先发优势，但中国近年在大尺寸氧化镓衬底的快速发展下，晶圆级器件流片等方面已经逐步追赶上领先水平。




今年2月27日，Novel Crystal实现了产业里程碑式突破，宣布从3月开始供应6英寸β-Ga2O3衬底样品，这也标志着氧化镓功率器件开始迈入规模量产应用的时代。该公司表示，通过提供高质量的单晶基板，公司能够帮助合作伙伴提前进行外延生长和工艺开发工作，从而赶上2029年的大规模生产计划。




Novel Crystal计划在2027年开始生产6英寸β-Ga2O3外延片样品；2029年利用其DG工艺实现6英寸β-Ga2O3外延片大规模量产，同时通过DG工艺获得极具竞争力的成本优势；到2035年目标是为市场提供8英寸规格的β-Ga2O3衬底。




据Novel Crystal介绍，DG工艺是一种新一代单晶生长技术，无需使用由贵金属制成的坩埚，以大幅降低材料和设备成本。




国内方面，富加镓业、镓仁半导体、镓和半导体、铭镓半导体等都在氧化镓单晶衬底上实现了尺寸的超越。




比如今年3月，镓仁半导体在国际上首次成功实现了高质量的8英寸氧化镓同质外延生长，直接解决了氧化镓大规模应用的核心难题：大尺寸和高质量外延层制备，为氧化镓功率器件规模量产打下了坚实基础，推动氧化镓SBD、MOSFET等器件的商业化。




而就在本周，富加镓业宣布在国际上首次成功制备出12英寸氧化镓单晶，刷新了全球氧化镓单晶尺寸的最高纪录。此前全球氧化镓单晶主流在2–6英寸，2025年12月富加镓业已联合上海光机所实现国际首发8英寸VB法单晶。12英寸的实现，意味着单晶直径直接跃升至与主流硅功率器件产线完全兼容的水平。




衬底尺寸一直是半导体行业的重要成本优化路径，SiC自2022年开始进入8英寸时代后，市场规模随着SiC衬底成本的不断下跌而扩大，SiC器件在


新能源


汽车上的应用，从最早的30万以上高端车型专属，短短4年间下沉到10万元级别市场。




氧化镓衬底在短短三年间从主流2到4英寸，迅速突破至8英寸甚至是12英寸。12英寸晶圆面积约为8英寸的2.25倍、6英寸的4倍以上，单片衬底可切割的器件数量大幅增加，单位成本显著摊薄，推动氧化镓功率器件包括SBD、MOSFET等从实验室奢侈品走向工业级可商用。





氧化镓功率器件的量产困境





去年一家名不见经传的初创企业吸引了行业关注，这家名为Gallox semiconductors，由康奈尔大学孵化的初创企业，声称是全球首家将氧化镓器件商业化的公司。根据Gallox的介绍，其致力于解决氧化镓器件的制造挑战，包括制造更薄的芯片以提升器件性能、在更大晶圆尺寸下的可靠生产、热管理优化、建立代工厂和封装流程等。公司技术优势包括：更高效（节省电力、减少废热）、更小（降低总


电阻


和导通损耗）、更高功率密度（减少系统尺寸和复杂性）、更高频率（允许更小、更轻的


电容器


和


电感器


）、更坚固（适用于恶劣环境）、更低成本。




Gallox表示，氧化镓


二极管


的峰值电压比碳化硅二极管大三倍，比硅二极管大28倍。氧化镓


晶体管




电流


密度可以高达1 kA/cm²，对比之下，传统硅晶体管电流密度普遍低于100A/cm²，碳化硅晶体管可以达到200-500 A/cm²。不过公司目前产品还处于工程样品阶段，大概以氧化镓SBD为主。




去年4月，Novel Crystal全球首发了全氧化镓基平面SBD产品，同样是提供验证样品，主要支持科研和早期客户评估。




可以看到主要企业的氧化镓器件都仍处于科研级别的阶段，为什么氧化镓功率器件难以真正大规模量产？




Ga₂O₃受主能级深、空穴有效质量大、自补偿与自陷效应严重，导致p型导电率极低且不稳定。所以就难以实现pn结，无法制造双极型器件，实现氧化镓的理论优势，比如超高击穿场强等，这对于氧化镓的商业化是致命性的缺陷，因为无法对SiC等现有的器件实现超越，而价格又更高，商业上毫无优势。




在实验室中，目前有NiO异质结、能量驱动相变或特定掺杂来实现pn结/常关结构，如日本FLOSFIA α-Ga₂O₃ MOSFET，但晶圆级稳定、高激活率p型仍未突破，难以规模化。




另外，氧化镓热导率仅为硅的1/5左右，远低于SiC/GaN，高功率密度下自热效应严重，易造成性能退化、热失效或可靠性下降。如果用在电网等高功率场景中，散热问题会成为应用瓶颈，目前主流的解决方式是引入金刚石或石墨烯缓冲层等提高散热能力，但整体来看仍未有一个成熟的封装方案。





小结：





2026年，氧化镓可能已经处于爆发前夜，大尺寸材料突破加速，散热和p型有实验室方案，但从“可演示”到“可量产、高可靠、低成本”仍需跨越多重门槛。行业普遍认为，未来2-3年有望解决良率、一致性和可靠性，预计2027-2029年后可能在特定中


高压


领域，包括工业


电源


、快充桩、电网等领域，进入小批量验证阶段。