既然优势多多，那为什么这一赛道还没爆发？这是因为氧化镓的路一直卡在大规模制备这一步，随着研究深入和器件应用明朗，产业化的路逐渐铺平。

氧化镓的研究主要以应用为导向发展，而从氧化镓材料转换为芯片，与碳化硅的“衬底→外延→器件”的产业体系类似。

氧化镓材料研究历史，制表丨果壳硬科技

衬底指的是由半导体单晶材料制造而成的晶圆，在经过切、磨、抛等仔细加工后便是芯片制造的基础材料抛光片；外延指的是在抛光后的单晶衬底上生长一层新单晶薄膜的过程，外延片相当于是半导体器件的功能性部分；器件就是能实现具体功能的某种芯片，晶圆先会经历光刻、刻蚀、离子注入、CMP、金属化、测试等工艺，再经历切割、封装等复杂工艺。

氧化镓在这一过程中，既可以充当衬底材料，也可以充当外延材料。

不同种类晶圆优势和应用，制表丨果壳硬科技

资料来源丨公开资料

晶圆按直径分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格，芯片是从加工后的晶圆上切割下来的，但晶圆与芯片却是一圆一方，因此只有晶圆越大才能切出更多完整的芯片。晶圆尺寸与制程也息息相关，目前14nm或更先进制程的芯片基本都采用12英寸晶圆制造，因为晶圆越大，衬底成本就越低。[8]

因此只有当氧化镓被制成一定尺寸的晶圆，才能真正投入产业化，并且晶圆尺寸还要越做越大。

大尺寸高质量的β相氧化镓晶圆生产非常困难，这是因为其单晶熔点达1820℃，高温生长过程中极易分解挥发，容易产生大量的氧空位，进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷，此外高温下分解生成的GaO、Ga2O和Ga等气体会严重腐蚀铱金坩埚。[9]

氧化镓单晶生长研究最早可以追溯到20世纪60年代，制备方法主要包括焰熔法、提拉法、导模法、光浮区法、布里奇曼法。

氧化镓单晶生长技术情况，制表丨果壳硬科技

目前国际上走得最远的是日本NCT公司，是全球氧化镓衬底的供应主力，该公司采用导模法成功生长最大6英寸氧化镓单晶，而其它方法仍然无法制造产业所需的大尺寸衬底。

但导模法制造的氧化镓患有严重的“贵金属依赖症”，在制造过程中需要使用基于贵金属铱（Ir）的坩埚。铱元素全球储量稀少，每克铱的价格高达上千元，约是黄金价格的3倍，长晶设备中仅一个坩埚价格就超500万元 。

成本对国外产业来说已是核心问题，普遍会采取增大铸锭尺寸、提高加工率、延长坩埚寿命来降低铱坩埚成本，更彻底的解决方案就是研究其他转换路线。

这对国内产业来说更是棘手问题。虽然中国镓元素储量全球第三位，高纯度氧化镓原料储备丰富，生长晶体能耗降低80%，成品率可达50%及以上[10]，但我国铱矿藏并不丰富，依赖进口，有断供风险。更为雪上加霜的是，坩埚易损坏且有使用次数限制。贵就造不起，高价造出来又坏不起，成了死循环。[11]

不同氧化镣晶体制备方法的优缺点对比，图源丨《机械工程学报》[9]

国内开展氧化镓单晶生长研究只有十余年，成熟度和稳定性不及国外。中电科46所、西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、浙江大学等研究机构已开发出自主知识产权的生长技术，打技术垄断，不过最高只能加工到4英寸衬底。

为了让这项技术逐渐产业化，国内主要策略是减少贵金属铱的使用，并推动无铱工艺的摸索研究，这种趋势在产业化脚步加快之际越来越明显：初创公司进化半导体宣称，已开发出独创的“无铱法”特色工艺，解决成本痛点[12]；2022年5月，浙江大学杭州国际科创中心则宣称，已发明全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆，减少了贵金属铱的使用，目前已经成功制备直径2英寸的氧化镓晶圆。[13]

外延生长是制备半导体器件的核心工艺之一，与器件性能息息相关。当衬底材料和外延材料均为氧化镓时，此时的外延被称为同质外延，反之则称为异质外延。

受限于氧化镓单晶衬底尺寸、质量、电学性能等因素，目前氧化镓外延生长研究集中在异质外延，为数不多的同质外延也是基于最为稳定和最强解理面的（100）面衬底。[14]

外延的分类，制图丨果壳硬科技

目前用于氧化镓的外延薄膜沉积技术包括分子束外延技术（MBE）、分子有机气相沉积（MOCVD）、喷雾化学气相沉积（mist-CVD)、卤化物气相外延沉积技术（HVPE）。

氧化镓外延技术情况，制表丨果壳硬科技

参考资料丨《新材料产业》[5]

国际上两个主流技术当道：NCT公司的EFG结合HVPE技术和IKZ研究所的Cz结合MOVPE技术。但在竞争过程中，由于EFG比Cz拥有更大的晶体尺寸，HVPE的外延沉积速率约为MOVPE的10倍，因此EFG结合HVPE技术路线成为了主流，并实现了产业化。

虽然国内氧化镓体单晶制备技术已取得显著进步，但国内氧化镓外延技术较为薄弱。中电科46所是国内氧化镓技术较为领先的：2019年中电科46所用导模法制备了4英寸氧化镓晶圆，2021年12月又成功制备出HVPE氧化镓同质外延片，突破了HVPE同质外延氧化镓过程中气相成核和外延层质量控制等难题，填补国内空白。[15]

产出晶圆并不意味着万事大吉，还涉及许多问题。

由于氧化镓晶体脆性较大、易解理属性较强、断裂韧性较低，传统的游离磨料研磨加工很容易在表面产生裂纹和凹坑等缺陷，晶圆的超精密加工，包括研磨、抛光等都会牵扯出一系列工艺研究，产业化过程将带动整个链条。[16]

在器件应用上，氧化镓生长单晶前期主要针对日盲深紫外探测器，2012年氧化镓同质外延片应用至功率器件后，才正式开启了产业化新纪元。

目前氧化镓研究集中在肖特基势垒二极管（SBD）和金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）两种器件形态，通过增强器件结构，不断刷新着击穿电压数值。

器件发展上，日本入局较早，三菱重工、丰田、日本电装、田村制造（与NICT合作成立NCT）、日本光波等企业早已介入氧化镓的产业发展和布局，发展态势迅猛。美国相对缓慢，Kyma公司2020年推出1英寸氧化镓晶圆。[17]

国际公司/机构氧化镓产业化历史，制表丨果壳硬科技

国内氧化镓器件属中国电子科技集团公司第十三研究所的器件较为领先，其利用栅下热氧化技术实现的增强型氧化镓MOSFET器件阈值电压达到4.1V，开关比达到108；提出的双层源场板结构可以有效抑制氧化镓沟道和氮化硅（SiN）钝化层中的尖峰电场强度，器件击穿电压超过3000V。[5]

氧化镓是未来十年的生意，行业分析人士表示，预计到2030年，全球氧化镓及功率器件市场规模将达到98.6亿元。[18]

在产业化方面，国内刚刚起步，但很多投资基金已经开始关注到氧化镓的未来，寻求相关创业项目和创业团队，推动国内氧化镓发展。北京镓族科技、杭州富加镓业、北京铭镓半导体、深圳进化半导体是目前在投融资市场较为活跃的四家公司——

国内氧化镓融资主要情况，制表丨果壳硬科技

据《中国电子报》预测，辐射探测传感器芯片和功率校正、逆变、高功率和超大功率芯片是氧化镓两个主要方向，尤其是在超宽禁带系统可用功率和电压范围方面会发挥重要作用，包括电力调节和配电系统中的高压整流器、电动汽车和光伏太阳能系统等有利应用场景。[22]

进化半导体公司CEO许照原在36氪访谈中表示，碳化硅用了40年时间发展，氧化镓则仅用了10年，踩着碳化硅脚印前进的氧化镓很有可能有类似的发展行径：先在市场门槛较低的快充和工业电源领域落地，后在汽车领域爆发。[23]

氧化镓在十年内已取得重大进展，眼看离产业只差一步之遥，但针对材料制备和相关性质研究仍然不够系统和深入，若想统治未来，掌握现在这十年是关键。