国际首次！12英寸氧化镓单晶问世

在“十五五”规划开局之年，富加镓业在氧化镓领域实现关键进展。3月26日，公司宣布成功制备出12英寸氧化镓（Ga₂O₃）单晶，刷新全球单晶尺寸纪录，并成为首家掌握该尺寸生长技术的企业。这是在其2025年实现8英寸晶体突破后的进一步升级，标志着我国在超宽禁带半导体材料规模化发展上迈出重要一步。

从产业角度看，晶圆尺寸由8英寸迈向12英寸，不仅显著提升单片晶圆的芯片产出能力、降低单位成本，还为氧化镓器件导入现有12英寸硅基产线创造条件，有助于加快产业化进程。与此同时，富加镓业已构建覆盖晶体生长设备、衬底及外延材料的体系，并计划联合下游推进“衬底—外延—器件—模组”全链条协同，加速氧化镓功率器件落地。

在这一背景下，氧化镓作为第四代半导体材料的关注度持续提升。

氧化镓（化学式Ga₂O₃，也称三氧化二镓）是一种重要的无机化合物，作为超宽禁带半导体材料，在近年来备受关注。它是继硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）之后，被视为第四代半导体核心候选材料之一，具有广阔的功率电子和光电器件应用前景。

氧化镓最早由法国化学家Lecoq de Boisbaudran在19世纪发现，但其半导体特性直到21世纪初才被系统挖掘。本文将围绕其定义、材料制备工艺以及主要用途/应用展开讨论，结合最新研究进展，为读者提供全面概述。

本文将系统梳理氧化镓的定义、材料制备工艺、广泛用途与应用场景，并盘点国内头部企业近期动态，供感兴趣的朋友参考。6月10—12日，由DT新材料主办的FINE2026先进半导体大会亦将聚焦氧化镓产品及应用，也设有相关热点议题的专业会议，欢迎感兴趣的朋友莅临现场交流！

氧化镓的定义与基本性质

氧化镓的分子式为Ga₂O₃，摩尔质量约187.44 g/mol，常温下为白色三角形晶体粉末，密度约5.95 g/cm³，熔点高达1725–1900℃。它不溶于水，但可溶于强酸和碱金属氢氧化物，具有良好的热稳定性和化学稳定性。

氧化镓存在五种主要晶型（多晶型）：α相（刚玉结构）、β相（单斜晶系，最稳定）、γ相（立方尖晶石）、δ相（立方）和ε相（六方）。其中，β-Ga₂O₃ 是最稳定、最具实用价值的相，属于单斜晶系（空间群C2/m），晶胞参数a=12.23 Å、b=3.04 Å、c=5.80 Å。其禁带宽度（Eg）约为4.7–4.9 eV（直接带隙约4.88 eV），远高于SiC（3.26 eV）和GaN（3.4 eV），属于超宽禁带材料。这使得β-Ga₂O₃的临界击穿电场强度高达约8 MV/cm，是Si的20倍以上，同时具有较高的巴利加优值（Baliga’s figure of merit，BFOM≈3444），在高功率器件中表现出色。

此外，β-Ga₂O₃还具有高透明度（可见光至近紫外区透过率75%–90%）、良好的热化学稳定性以及相对低的电子迁移率（但通过掺杂可优化）。其主要缺点是热导率较低（10–30 W/m·K），这在功率器件散热设计中需特别注意。

材料制备工艺

氧化镓的制备工艺多样，根据产品形态分为块体单晶衬底、外延薄膜/纳米结构及粉体/纳米材料三大类。制备技术的进步直接决定了材料的纯度、缺陷密度和产业化成本。

块体单晶衬底制备（熔体法为主）

氧化镓是宽禁带半导体中唯一可在常压下以熔体法生长的材料，这使其成本远低于需高温高压合成的SiC和GaN。目前主流方法包括：

导模法（EFG法，Edge-defined Film-fed Growth）

利用模具毛细作用引导熔体生长，是当前唯一实现产业化大尺寸衬底的方法。日本NCT公司已实现6英寸商业化生产，长晶速度快（每小时数厘米）、近净成形。缺点是需使用贵金属铱（Ir）坩埚，成本高且易引入杂质。

提拉法（CZ法，Czochralski）

传统熔体生长法，适用于大尺寸晶体，但挥发性强，需优化气氛控制。

垂直布里奇曼法（VB法）

近年来备受关注的低成本路线，无需Ir坩埚，可显著降低位错密度和生产成本。中国企业已在此领域实现突破。2025年，杭州镓仁半导体采用VB法成功制备6英寸（010）面单晶（等径段>40 mm），并进一步实现8英寸晶体生长；杭州富加镓业联合中科院上海光机所，也于2025年12月首次采用VB法生长出8英寸氧化镓单晶，刷新国际纪录。该方法设备成本低、稳定性好，已成为国产化主流方向。

其他方法还有浮区法（FZ）、焰熔法等，但产业化程度较低。晶体生长后需经过定向、切割、研磨、抛光等超精密加工，最终获得高质量衬底。目前中国已从2英寸、4英寸快速迭代至6–8英寸，晶体质量（XRD摇摆曲线半高宽<50 arcsec，表面粗糙度RMS<0.1 nm）达到国际先进水平。

薄膜与外延生长

用于器件制造的主要是外延薄膜，常用气相法：

金属有机化学气相沉积（MOCVD）

• 生长速率高、面积大、薄膜质量优，适合工业化。

卤化物气相外延（HVPE）

• 生长速率快、成本低，常用于厚膜生长。

分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、磁控溅射等：适用于高精度、低缺陷外延，常用于科研和异质结。

同质外延（在β-Ga₂O₃衬底上生长）可减少晶格失配；异质外延（如在蓝宝石或SiC上）则成本更低，但需优化界面。

纳米材料与粉体制备

液相法适合低成本、大规模生产纳米结构：

水热/溶剂热法

• 以Ga盐为前驱体，在密封高压釜中反应生成GaOOH前驱体，再经600–900℃煅烧得到β-Ga₂O₃纳米棒、纳米管或粉体。工艺简单、形态可控。

溶胶-凝胶法

• 通过前驱体溶胶涂布（旋涂、浸涂等）制备薄膜，适用于柔性衬底。

化学浴沉积（CBD）、沉淀法

低温、低能耗，适合纳米颗粒。

这些方法可精确调控形貌（如纳米线、纳米花），用于传感器或催化剂。

总体而言，熔体法+HVPE/MOCVD的组合是当前产业化主流，中国在VB法大尺寸单晶上已接近或领先国际水平，但外延和器件工艺仍需进一步成熟。

用途与应用

氧化镓的核心优势（超宽禁带、高击穿场、低成本潜力）使其在功率电子和深紫外光电领域具有独特价值。

1. 功率电子器件

β-Ga₂O₃的巴利加优值远高于SiC和GaN，理论上可实现更高电压、更低导通损耗和更高功率密度。典型器件包括：

肖特基势垒二极管（SBD）

• 已实现1000–5000 V耐压模型，适用于电动汽车充电桩、工业电源等。

金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）

• 高击穿场使器件体积更小、效率更高。

其他

PN结二极管、异质结功率器件等。

与SiC/GaN相比，氧化镓衬底成本有望降至硅/蓝宝石水平（6英寸衬底未来可低至数百元），极大降低功率器件整体成本。

2. 日盲紫外光电探测器

氧化镓本征吸收边约254 nm，天然“日盲”（对太阳光几乎无响应），信噪比高。应用包括：

军事/安防

• 导弹预警、火焰探测、高压放电监测。

民用

• 臭氧监测、环境监测、生物/化学分析。

空间/深空

卫星通信、行星探测（背景噪声低）。

器件形式包括MSM型、肖特基结型、TFT型及阵列型。近年来，非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）因制备温度低、衬底兼容性好而成为新热点，已实现高响应度（数A/W）、高探测率（10¹³ Jones级）和快响应速度。ε-Ga₂O₃薄膜阵列也已用于太阳能盲成像。

3. 其他应用

气体传感器

• 对O₂、H₂等气体高灵敏度。

透明导电氧化物（TCO）

• 紫外透明电极。

催化剂、磷光体

• 光催化、生物成像等领域。

复合材料

与SiC、GaN形成异质结，提升综合性能。

国内一些相关企业及近期动态