第四代半导体“氧化镓（Ga2O3）”材料的详解

科创之家 2025-09-27 共6951人围观

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近两年来，氧化镓作为一种“超宽禁带半导体”材料，得到了持续关注。超宽禁带半导体也属于“第四代半导体”，与第三代半导体碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)相比，氧化镓的禁带宽度达到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化镓的3.39eV，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。并且，在同等规格下，宽禁带材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积，进一步降低成本。

所以，虽然第一、二、三、四代半导体材料各有利弊，在特定的应用场景中存在各自的比较优势，但不可否认的是，中国在第一、二乃至如今的第三代半导体的发展中，无论是在宏观层面的市场份额、企业占位还是在微观层面的制备工艺、器件制造等方面，中国与世界领先水平之间都存在着明显的差距。

国内可能并且走在世界前沿的半导体材料或者能让中国在半导体行业实现弯道超车并以此为契机助力中国经济高质量发展的机会应该是对新型材料的研究与开拓，比如应用场景广泛、波及行业众多、产业占位靠前的在功率、射频等方面可以大放异彩的氧化镓材料；其具备制备成本较低、相对环保、性价比更高、材料属性优势明显、工艺制造精妙但成本相对较低优势等特点。

目前，国内对于新型材料的研究仍处于开拓期，但也不乏如今有很多企业、高校或是一些研究院仍在这个方向不懈努力着。所以，应一高校研究生朋友的渴求，本章节主要跟大家分享的是：第四代半导体材料——氧化镓的材料属性优势、制备工艺流程和具体应用场景等等进行介绍。

一、氧化镓材料的概述

大家都知道：第一代半导体指硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体材料；第二代半导体指砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等具有较高迁移率的半导体材料；第三代半导体指碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料；第四代半导体指氧化镓、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等超宽禁带半导体材料，以及锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)等超窄禁带半导体材料。

第四代超宽禁带材料在应用方面与第三代半导体材料有交叠，主要在功率器件领域有更突出的应用优势。第四代超窄禁带材料的电子容易被激发跃迁、迁移率高，主要应用于红外探测、激光器等领域。第四代半导体全部在我国科技部的“战略性电子材料”名单中，很多规格国外禁运、国内也禁止出口，是全球半导体技术争抢的高地。第四代半导体核心难点在材料制备，材料端的突破将获得极大的市场价值。

氧化镓，中文别名：三氧化二镓，英文名称：Gallium(III) oxide，其分子式为：Ga2O3，属于一种单晶材料，是继Si、SiC及GaN后的第四代宽禁带半导体材料，因以β-Ga2O3单晶为基础材料的功率器件具有更高的击穿电压与更低的导通电阻，从而拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率，在功率电子器件方面具有极大的应用潜力。

同时，氧化镓（Ga2O3）其实还是一种来自日本的新型半导体晶体材料，可以廉价地生产高质量、大型单晶基板，有望成为下一代功率器件材料，其潜力超过氮化镓和碳化硅；氧化镓（Ga2O3）由于低成本及与GaN的低失配的特性，可用于GaN材料的外延衬底。另外，氧化镓（Ga2O3）还具有4.9eV的极宽带隙，超过了SiC和GaN显示的3.3eV，此特性使其制作的器件比由禁带较窄材料组成的器件更薄、更轻，并且能应对更高的功率，宽禁带允许在更高的温度下操作，从而减少对庞大的冷却器件系统的需求，这种差异使氧化镓（Ga2O3）能够承受比硅、SiC和GaN更大的电场，而不会被击穿。

二、氧化镓(Ga2O3)材料的性能

氧化镓(Ga2O3)作为一种“超宽禁带半导体”材料破圈，得到了持续关注。超宽禁带半导体也属于“第四代半导体”，与第三代半导体碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)相比，氧化镓的禁带宽度达到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化镓的3.39eV，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。

三、氧化镓(Ga2O3)材料的晶体结构及制备方法

氧化镓（Ga2O3）拥有五种不同的晶相，即α、β、γ、δ和ε，这些晶相在特定条件下能够相互转化。在这五种晶相中，β-Ga2O3在常温常压下表现最为稳定，是主要的存在形式，而其他晶相则被视为亚稳相。通过调整温度条件，这些亚稳相可以转化为β-Ga2O3，且此过程在一定条件下可逆，但通常需要施加高压来实现。例如，在4.4 GPa和1000℃的极端条件下，β-Ga2O3会转变为亚稳相的α-Ga2O3。β-Ga2O3属于单斜晶系，具有C2/m空间群，其晶格常数分别为a=(1.2323±0.002)nm、b=(0.304±0.001)nm和c=(0.580±0.001)nm。在其晶胞结构中，氧原子占据三个不同的位置（O1、O、Om），而镓原子则占据两个位置（GaⅠ和GaⅡ），形成扭曲的四面体结构（GaⅠ）和高度扭曲的八面体结构（GaⅡ）。这种结构特点，特别是四面体结构的共角和八面体结构的共边，为自由电子的移动提供了便利，是氧化镓(Ga2O3)导电性能的结构基础。

目前，氧化镓(Ga2O3)的制备方法丰富多样，包括提拉法、导模法、火焰法、光学浮区法以及薄膜制备技术等。其中，薄膜制备技术如分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和脉冲激光沉积（PLD）等因其工艺灵活、简便且可重复性高而成为研究热点。

四、氧化镓(Ga2O3)的材料特性

器件功能是由器件材料属性、结构共同决定的，器件的材料属性是决定器件功能优劣的关键，直接谈器件材料属性大家可能会觉得空洞不知所以，所以我先介绍功率半导体的功能，以此引出实现此功能何种属性能较好的被使用。

功率半导体器件应用需要考虑大功率电路应用的特性，如绝缘、大电流能力等，在实际应用中，以动态的“开”和“关”为运行特征，一般不运行在放大状态。

由功率半导体器件构成的电力电子变换器实施的是电磁能量转换，而不是单纯的开/关状态，它的非理想应用特性在电力电子变换器中起着举足轻重的作用。要用好功率半导体器件，既要熟悉电力电子变换器的拓扑，更要充分掌握器件本身的特性，第一、二、三、四代半导体都有可以作为功率半导体的材料，但是不同的材料属性直接决定着器件的性能、价格、体积等等。下表为几种材料的属性对比：

以上是材料属性的基础对比，对于更深层面的功率器件的表皮晶圆需要特征：

1、表皮表面的平坦度

2、低载流子浓度区域的浓度控制

氧化镓(Ga2O3)的这方面特性，被日本Novel Crystal Technology研究人员经过实验进行了定性，其使用臭氧MBE方法作为表皮沉积方法，晶体平面方位，掺杂剂优化了种子、生长温度、原料供应量等生长参数。例如，下图显示了表面平整度与生长温度之间的关系，以及载体浓度与掺杂原料电池温度之间的关系。

这些允许在1nm或更低的表面粗糙度和1016cm-3的低载波浓度区域进行控制，以满足电源器件的表面粗糙度，此项结果证明，氧化镓与第一、二代功率半导体材料具有明显的优势，甚至对比于第三代半导体碳化硅都具有明显的优势。

但金无足赤，人无完人，物体都是具有双面性的，氧化镓(Ga2O3)除了以上所展示出的优点，它也存在一些自身的问题。

比如，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”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。

3、不同材料功率器件决定的不同属性

在电流和电压方面的要求:Si，SiC，GaN和氧化镓(Ga2O3)功率电子器件的应用（如下图所示），由于其材质的属性的本质区别，导致这以不同衬底制作出来的功率器件会表现出很大的差异，比如以氧化镓(Ga2O3)为衬底的功率器件就能在相对成本较低的情况下实现第一、二、三代半导体的功率器件功能，由下图也可以看出，以氧化镓(Ga2O3)为衬底制作出来的功率器件在承受更高电压、电流方面就具有很大的优势，据统计，如果将中国低效电机改成使用氧化镓(Ga2O3)等高功率半导体材料的高效电机，每年可节约900+亿度电，实现450+亿元（RMB）的节电效益，形成500+亿元（RMB）的增加值，可以有效的助力碳中和、碳达峰的国家政策。

4、主要分类

导电型（氧化镓(Ga2O3)同质外延）、半绝缘型（同质外延）、高纯型（同质外延）分别在肖特基二极管、场效应晶体管、传感器和光电衬底的应用方向，主要应对下游市场为新能源汽车、家电、工业变频、光伏、电焊机、工业变频、高铁、智能电网、工业电机、国防军工，发光二极管、电网安全检测、国防军工、森林消防、智慧高速、智慧家居等；

氧化镓(Ga2O3)/氮化镓（异质外延）、氧化镓(Ga2O3)/蓝宝石（异质外延）分别在射频器件、传感器件的应用主要应对下游市场通信基站装置、发光二极管、电网安全检测、国防军工、森林消防、智慧高速、智慧家居、气敏传感安全检测等等，应用场景广泛、受众群体众多。

通过以上的功率半导体功能的介绍，我们再回到介绍氧化镓(Ga2O3)材料的性质，主要在以下两方面尤为突出：

（1）超宽禁带，在超高低温、强辐射等极端环境下性能稳定，并且对应深紫外吸收光谱，在日盲紫外探测器有应用。

（2）高击穿场强、高Baliga值，对应耐压高、损耗低，是高压高功率器件不可替代的明星材料。

五、氧化镓(Ga2O3)材料的制备工艺

高质量单晶材料的制备是后期有效应应用的基础与前提，新型材料氧化镓(Ga2O3)的制备工艺具有复杂但成本可控、精妙但工艺成熟等特点，为防止文章过于空洞，特以同为新型材料的碳化硅生产为对比，你们能有一个清楚的参照物做对比，不至于理解起来过于空洞，至于成本如何可控、工艺如何，读者可在以下对比中可窥得一二。

1、制备工艺的方法对比

（1）碳化硅制备主流方法：PVT

PVT法通过感应加热的方式在密闭生长腔室内在2300°C以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料，使其升华产生包含Si、Si2C、SiC2等不同气相组分的反应气体，通过固—气反应产生碳化硅单晶反应源；由于固相升华反应形成的Si、C成分的气相分压不同，Si/C化学计量比随热场分布存在差异，需要使气相组分按照设计的热场和温梯进行分布和传输，使组分输运至生长腔室既定的结晶位置；为了避免无序的气相结晶形成多晶态碳化硅，在生长腔室顶部设置碳化硅籽晶（种子），输运至籽晶处的气相组分在气相组分过饱和度的驱动下在籽晶表面原子沉积，生长为碳化硅单晶。

以上碳化硅单晶制备的整个固—气—固反应过程都处于一个完整且密闭的生长腔室内，反应系统的各个参数相互耦合，任意生长条件的波动都会导致整个单晶生长系统发生变化，影响碳化硅晶体生长的稳定性；此外，碳化硅单晶在其结晶取向上的不同密排结构存在多种原子连接键合方式，从而形成200多种碳化硅同质异构结构的晶型，且不同晶型之间的能量转化势垒极低。

因此，在PVT单晶生长系统中极易发生不同晶型的转化，导致目标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题。故需采用专用检测设备检测晶锭的晶型和各项缺陷。

（2）氧化镓(Ga2O3)制备主流方法：熔体法

按β-Ga2O3照晶体生长过程中原料状态的不同，可以将晶体生长方法分为：溶液法、熔体法、气相法、固相法等。

熔体法是研究最早也是应用最为广泛的晶体生长方法，也是目前生长β-Ga2O3体块单晶常用的方法。同时，也是因为熔体法是生长半导体材料最理想的方式，它有以下几个优势：

a、尺寸大：小籽晶能够长出大晶体；

b、产量高：每炉晶锭可切出上千片衬底；

c、品质好：位错可趋于0，晶体品质很好；

d、长速快：每小时能够长几厘米，比气相法快得多。

所以，通过熔体法可以生长高质量、低成本的β-Ga2O3体块单晶，其中最为常用的生长方法主要有两种：直拉法和导模法。而由于氧化镓(Ga2O3)的长晶工艺在使用直拉法时原料挥发较多，氧化镓(Ga2O3)的长晶工艺从直拉法逐步演变为有铱盖和模具的导模法，两种方法均需使用铱坩埚，目前导模法已成为主流的氧化镓长晶方法。在这里，既然讲到了“铱”，我就跟大家多分享一些关于“有铱法”和“无铱法”成本对比的相关知识：

a、有铱法

美国国家可再生能源实验室（NREL）预测，在无额外晶圆制造工艺优化的情况下，有铱法长6寸氧化镓(Ga2O3)的成本为283美金（≈2000元人民币），采用各种节约成本的措施后，能够降到195美金。其中，铱坩埚及其损耗占据过半。

b、无铱法

日本C&A公司报导了2寸无铱法的成果，宣称成本能够大幅下降至导模法的1/100。

所以，由于铱坩埚的成本和损耗太高，生长几十炉后就会被腐蚀损耗，需要重新熔炼加工，且长晶过程中，铱会形成杂质进入晶体，产业界有很强的无铱法开发需求。

2022年4月，日本经济新闻网发布了一则消息，日本C&A公司采用一种铜坩埚的直拉法生长出2寸氧化镓单晶，能够将成本降至导模法的1/100。

氧化镓(Ga2O3)生长的工艺流程从原料在坩埚中熔化和拉晶开始，之后经过切、磨、抛的工序，形成氧化镓(Ga2O3)单晶衬底。再经过外延工艺，得到同质外延或异质外延结构，最终加工为氧化镓(Ga2O3)晶圆。

下文以导模法为例介绍，导模法（Edge-defined film-fed growth method）是一种重要的晶体生长方法，具有近尺寸生长、异形晶体生长、生长速度快、生长成本低等优点，是传统提拉法（Czochralski method）的一种延伸和补充，实际操作中可以将传统提拉法晶体生长炉改造后使用，常用于闪烁晶体材料、半导体晶体材料的生长。

导模法需要在坩埚中放置模具，晶体生长界面位于模具上表面。由于射频线圈高频电流的作用，使铱坩埚产生涡流而产生热量。

高温下，坩埚中的氧化镓(Ga2O3)原料变成熔体，由于表面张力和浸润作用，熔体沿模具中的毛细管上升到模具上表面。

预先在籽晶杆上安放一枚籽晶，让籽晶下降至接触模具上的熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉籽晶杆，使熔体在籽晶的诱导下结晶于籽晶上，最终生长出特定形状的大块单晶体。

所以，简单来说，氧化镓(Ga2O3)用液相的熔体法生长，位错（每平方厘米的缺陷个数）＜102cm-2，而SiC用气相法生长，位错个数约105cm-2，这就是明显的优势区别。

2、具体步骤与流程图

（1）碳化硅材料制备流程

第一步：原料生成

将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合，在2,000℃以上的高温条件下，于反应腔室内通过特定反应工艺，去除反应环境中残余的、反应微粉表面吸附的痕量杂质，使硅粉和碳粉按照既定化学计量比反应合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。

再经过破碎、筛分、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料。

第二步：晶体生长

在2300°C以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料，使其升华产生包含Si、Si2C、SiC2等不同气相组分的反应气体，通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源；由于固相升华反应形成的Si、C成分的气相分压不同，Si/C化学计量比随热场分布存在差异，需要使气相组分按照设计的热场和温梯进行分布和传输，使组分输运至生长腔室既定的结晶位置；

第三步：晶锭加工

将碳化硅晶锭使用X射线单晶定向仪进行定向，之后通过精密机械加工的方式磨平、滚圆，加工成标准直径尺寸和角度的碳化硅晶棒。对所有成型晶棒进行尺寸、角度等指标检测。

第四步：晶棒切割

在考虑后续加工余量的前提下，使用金刚石细线将碳化硅晶棒切割成满足客户需求的不同厚度的切割，并使用全自动测试设备进行翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow）、厚度变化（TTV）等面型检测。

第五步：切割片研磨

通过自有工艺配方的研磨液将切割片减薄到相应的厚度，并且消除表面的线痕及损伤。使用全自动测试设备及非接触电阻率测试仪对全部切割片进行面型及电学性能检测。

第六步：研磨片抛光

通过配比好的抛光液对研磨片进行机械抛光和化学抛光，用来消除表面划痕、降低表面粗糙度及消除加工应力等，使研磨片表面达到纳米级平整度。使用X射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备，检测碳化硅抛光片的各项参数指标，据此判定抛光片的质量等级。

第七步：抛光片清洗

在百级超净间内，通过特定配比的化学试剂及去离子水对清洗机内的抛光片进行清洗，去除抛光片表面的微尘颗粒、金属离子、有机沾污物等，甩干封装在洁净片盒内，形成可供客户开盒即用的碳化硅衬底。

（2）氧化镓(Ga2O3)材料制备流程

与碳化硅半导体材料制备步骤类似，氧化镓(Ga2O3)晶体衬底片加工包括退火、定向、切割、贴片、减薄、研磨、抛光和清洗，工艺流程如下图所示：

所以，我们不难看出：氧化镓(Ga2O3)的硬度比硅还软，因此加工难度较小，而碳化硅硬度高，加工成本极高。

3、制备难易对比

方法并无绝对的好坏优劣之分，只是适用情况、工艺繁简有别，不管何种工艺也无论工艺是否过时，它都承载着研究人员的心血与付出，在一定程度上都是科技发展的具体载体，接下来的对比只是为了说明氧化镓(Ga2O3)的制备成本可控，并无定性的指明孰优孰劣的意思。

氧化镓(Ga2O3)成本可控可以体现在以下几个方面：

第一，相较于碳化硅必须实现2,300℃以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料，使其升华产生包含Si、Si2C、SiC2等不同气相组分的反应气体才能进一步生产，氧化镓(Ga2O3)的导模法的实现条件就相对要求低了很多，其温度要求低，而且不用使原料粉末升华成气体相对条件要求较低；

第二，相较于200多种碳化硅同质异构结构的晶型，且不同晶型之间的能量转化势垒极低的情况，氧化镓(Ga2O3)的同质异构结构的晶体类型少了很多只有几种，这对于制备的可控性来说大大降低了难度，这也是为什么氧化镓(Ga2O3)的成本低于碳化硅的重要原因；

第三，相较于碳化硅制备的石墨坩埚等一次性损耗品来讲，氧化镓(Ga2O3)的坩埚虽然购置费用昂贵，但是可以实现循环利用，其平摊到每一次的制备成本当中是远低于碳化硅的制备成本的，这又是氧化镓(Ga2O3)成本低于碳化硅的一大原因。

因此，一方面：氧化镓(Ga2O3)采用了液相的熔体法生长，每小时长10~30mm，每炉2天，而碳化硅用气相法生长，每小时长0.1~0.3mm，每炉7天。而另一方面：氧化镓(Ga2O3)的晶圆线与Si、GaN以及SiC的晶圆线相似度很高，转换的成本较低，有利于加速氧化镓的产业化进度。从日本经济新闻网报道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量产以新一代功率半导体材料氧化镓(Ga2O3)制成的100毫米晶圆，客户企业可以用支持100毫米晶圆的现有设备制造新一代产品，有效运用过去投资的老设备。”来看，氧化镓(Ga2O3)不像SiC需要特殊设备而必须新建产线，潜在可转换的产能已非常巨大。

4、相对环保

众所周知，在国家加强生态建设、碳中和、碳达峰的大环境下，材料制备无污染是一个比较值得关注的问题，氧化镓(Ga2O3)相对比与第一二代半导体甚至是第三代是更环保的材料，比如硅基制造中多个环节涉及环境污染，生产过程中将产生一定量的废水、废气、固废和噪音；碳化硅衬底材料生产虽属于重污染行业，但污染物废水（主要包括酸洗清洗废水、废气净化废水、倒角清洗废水、研磨清洗废水、机械抛光清洗废水、生活污水等）、一般固废（主要包括提纯杂质、加工下脚料、生活垃圾等）、危险废物（主要包括废研磨液、废切削液、废抛光液等）、废气（主要包括酸洗废气、乙醇清洗废气、有机废气等）、噪声等也存在，氧化镓(Ga2O3)在这方面比第一二三代具备更环保的特点。

六、氧化镓(Ga2O3)材料缺点的研究

1、解决导热率低的问题

尽管氧化镓(Ga2O3)存在热量方面的挑战，但氧化镓(Ga2O3)的散热是工程可以解决的问题，并不构成产业化障碍。如下图所示，美国弗吉尼亚理工大学通过双面银烧结的封装方式解决散热问题，能够导走肖特基结处产生的热量，在结处的热阻为0.5K/W，底处1.43，瞬态时可以通过高达70A的浪涌电流。

2、解决P型掺杂

氧化镓(Ga2O3)能带结构的价带无法有效进行空穴传导，因此难以制造P型半导体。近期斯坦福、复旦等团队已在实验室实现了氧化镓(Ga2O3)P型器件，预计将逐步导入产业化应用。如下图所示，斯坦福大学在2022年8月发表了实验室实现氧化镓(Ga2O3)P型垂直结构的成果，以Mg-SOG镁扩散的方式，形成PN结，开启电压为7V，开关速度109。

七、氧化镓(Ga2O3)材料的当前现状

当前该领域的研究，尤其以日本在氧化镓(Ga2O3)方面的发展最为领先。

早在2012年，日本Novel Crystal Technology（下简称“NCT”）公司就实现了2英吋氧化镓(Ga2O3)晶体和外延的突破；2014年，日本NCT实现2英吋氧化镓(Ga2O3)材料的批量产业化；2017年，日本FLOSFIA实现了低成本亚稳态氧化镓(Ga2O3)（α相）材料的突破；2018年，日本NCT实现了4英吋氧化镓(Ga2O3)材料的突破，日本FLOSFIA实现了α相氧化镓(Ga2O3)外延材料的批量化生产，2019年日本田村实现4英吋氧化镓(Ga2O3)的批量产业化等等。在这个发展过程中，日本氧化镓(Ga2O3)产业也涌现出了几个产业明星。

当中尤其以NCT和FLOSFIA最为亮眼。

资料显示，日本功率元件方向的氧化镓(Ga2O3)研发始于日本国立信息通信技术研究所的东胁正高先生、京都大学的藤田静雄教授、田村（Tamura）制作所的仓又朗人先生。国外主要研究机构如下图：

八、氧化镓(Ga2O3)材料的产业链情况

氧化镓(Ga2O3)衬底和外延环节位于功率器件的产业链上游。类比碳化硅产业链，价值集中于上游衬底和外延环节：1颗碳化硅器件的成本中，47%来自衬底，23%来自外延，衬底+外延共占70%。

随着氧化镓(Ga2O3)的成本进一步降低，衬底占比会比SiC小得多。

九、氧化镓(Ga2O3)材料的应用领域

为何说氧化镓(Ga2O3)会成为引领中国经济高质量发展的一“镓”马车，通过以上介绍，相信你们应该可以得出其成本可控、应用场景广泛、受众群体众多、相对环保等特点。

文章接下来分享其广泛的应用场景，其中值得说明的是由于文章作者资料以及认知的有限性，虽然介绍了诸多的应用场景但是不可否认的是对于这种新型材料的认识以及场景的应用作者是完全概括不全的，在诸多领域作者存在介绍不全、介绍不充分的情况，望知悉！

1、在光电、电力电子器件方面的应用

综合在光电、电力电子器件应用图如下：

2、在大功率器件方面的应用

因为氧化镓(Ga2O3)的四大机遇：

（1）单极替换双极

即MOSFET替换IGBT，新能源车及充电桩、特高压、快充、工业电源、电机控制等功率市场中，淘汰硅基IGBT已是必然，硅基GaN、SiC、Ga2O3是竞争材料。

（2）更加节能高效

氧化镓功率器件能耗低，符合碳中和、碳达峰的战略。

（3）易大尺寸量产

扩径、生产简单，芯片工艺易实现，成本低。

（4）可靠性要求高

材料稳定，结构可靠，高品质衬底/外延。

同时，氧化镓(Ga2O3)的目标市场：

（1）长期来说，氧化镓功率器件覆盖650V/1200V/1700V/3300V，预计2025年至2030年全面渗透车载和电气设备领域，未来也将在超高压的氧化镓专属市场发挥优势，如高压电源真空管等应用领域。

（2）短期来说，预计氧化镓功率器件将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域。

所以，氧化镓(Ga2O3)容易取胜的市场：

（1）新能源车OBC/逆变器/充电桩

（2）DC/DC：12V/5V→48V转换

（3）IGBT的存量市场

氧化镓(Ga2O3)材料在高低压配电房、变电站、智慧家居系统、射频、不间断电源等等应用场景都可以发挥其作用，其最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，在功率器件方面的应用会是氧化镓(Ga2O3)大放异彩的重要领域，也是其引领中国经济高质量发展的关键，因为功率器件的市场范围大，受众群体多，波及范围广，在中国核心制造业以及精密仪器的核心制造方面会发挥不可替代的作用。

比如，目前还在用硅基、碳化硅基做衬底材料制作的IGBT、MOS等等。MOSFET是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”。

3、在射频器件方面的应用

GaN市场需要大尺寸、低成本的衬底，才能真正发挥GaN材料的优势。

同质衬底上生长同质外延的外延层品质是最好的，但由于GaN衬底价格很高，在LED、消费电子、射频等领域采用相对廉价的衬底，如Si、蓝宝石、SiC衬底，但这些衬底与GaN晶体结构的差异会造成晶格失配，相当于用成本牺牲了外延品质。当GaN同质外延GaN，才能用在激光器这类要求较高的应用场景。

GaN与氧化镓(Ga2O3)的晶格失配仅2.6%，以氧化镓(Ga2O3)衬底，异质外延生长的GaN品质高，且无铱法生长6寸氧化镓(Ga2O3)的成本接近硅，有望在GaN射频器件市场得到重要应用。

所以，氧化镓(Ga2O3)在射频器件的市场容量可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场。SiC半绝缘型衬底主要用于5G基站、卫星通讯、雷达等方向，2020年SiC外延GaN射频器件市场规模约8.91亿美元，2026年将增长至22.22亿美元（约人民币150亿元）。

4、在高压电力电气系统局部放电检测上的应用

局部放电现象，主要指高压电力电气设备的局部放电。

电力设备绝缘材料在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电，而没有贯穿施加电压的导体之间。局部放电根据放电强度从弱到强可分为：电晕放电、沿面闪电、闪络、电弧放电、火花放电。不同等级的放电会对电气设备的绝缘材料造成不同的影响，现代电缆和电缆附件在长期局部放电作用下会其绝缘材料会被慢慢腐蚀直至失效。因此需要对运行中的高压电力设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。

应用氧化镓(Ga2O3)日盲紫外传感器开发日盲紫外探测器只要能探测到局部放电时产生的日盲紫外光光强，这样便可以利用局部放电产生的光强与探测放电频率间接评估运行设备的绝缘状况和及时发现绝缘设备的缺陷。

5、在紫外消毒杀菌检测方面的应用

紫外线杀菌是现今社会上最普遍的消毒方法之一，紫外线消毒主要是用波长253.7nm的C波紫外线来消灭细菌、芽孢、病毒、分支杆菌等微生物，这样能破坏这些微生物的机体内的去氧核糖核酸（即DNA）的结构，让它们失去繁殖能力或者是死亡，具有广谱性。采用紫外线辐射计杀菌，完全不产生任何有害物质。

速度快、效率高、操作简单，便于运行管理和实现自动化运行。

在医疗行业、水处理行业、食品行业、室内空气净化等都已有广泛应用，其应用场合主要有：

第一，水的消毒：包括自来水厂，纯净水厂消毒设备的在线监测。

第二，空气消毒：可以用于家庭房间、病房、实验室、学校、电影院、公交车、办公室、家庭等里的空气消毒监测；

第三，食品消毒：食品生成企业及餐饮业的紫外线消毒在线监测。

十、对于氧化镓(Ga2O3)材料的总结与展望

当前从Yole的报道中可以看出，绿色线代表的GaO尺寸以前所未有的斜率快速增长，这得益于其材料可以通过上文提到的液相法进行生长，且已经接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。

硅基材料经过了80多年的发展，达到了目前的12寸。

SiC材料的最大尺寸记录是近日更名为Wolfspeed的美国Cree公司所推出的8英寸衬底样品，其尚未导入大规模商业化，产业界刚刚准备规模化生产基于6英寸衬底的功率器件。

由以上Yole与日本等国外权威机构的预测分析走势以及结合中国高质量经济发展的迫切需求来看，氧化镓(Ga2O3)的市场清晰度以及发展确定性是毋庸置疑的，而且氧化镓(Ga2O3)在助力中国经济高质量发展、实现碳中和、碳达峰等领域都与国家的发展与民族的复兴吻合度极高，氧化镓(Ga2O3)势必会成为引领中国经济高质量发展的一“镓”动力十足的马车！

参考文献：

1.《β-Ga2O3-N型氧化镓单晶片规范》，中华人民共和国电子行业标准SJ 21444-2018，中电46所

2.《日本新兴企业量产EV半导体，续航增1成》，日本经济新闻网，2022/08/25

3.《日企要量产氧化镓晶圆，成本降至1/3》，日本经济新闻网，2022/08/17

4.《日企在全球首次量产100毫米氧化镓晶圆》，日本经济新闻网，2021/06/16

5.《氧化镓：宽禁带半导体新势力》，中国电子报，2022/04/22

6.日本NCT公司：https://www.novelcrystal.co.jp/eng/

7.日本FLOSFIA公司：https://flosfia.com/

8.日本C&A公司：https://www.c-and-a.jp/

9.美国Kyma公司：https://www.kymatech.com/