（原标题：超越SiC？功率器件市场悦倍网，跑出一匹黑马！）
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在功率半导体材料的进化谱系中，硅（Si）走到了尽头，碳化硅（SiC）正当红，而氮化镓（GaN）则在高频轻载领域攻城略地。然而，行业对更好的材料的追求是无止尽的。
11月初，日本Patentix株式会社宣布全球首次利用FZ法成功生长出金红石型二氧化锗（r-GeO2）块体晶体——尺寸达到5毫米。这块小小的晶体，带隙高达4.68 eV——远超碳化硅（3.3 eV）和氮化镓（3.4 eV），并且理论上可同时实现p型与n型掺杂。
这一突破，再次将超宽禁带（UWBG）氧化物材料体系推向前台。随着电动汽车（EV）的普及、AI 数据中心的能耗增长、减碳与节能需求的增强，以及车载功率模块小型化趋势的到来，超宽禁带半导体的商业化正受到高度期待。而氧化物，如GeO2和Ga₂O?，正被视为实现更高耐压、更高功率、更高效率的下一代功率半导体器件的重要候选材料。
二氧化锗：UWBG赛道新黑马？
在超宽禁带（Ultra-Wide Bandgap, UWBG）半导体领域，除了广为人知的氧化镓（Ga₂O?），二氧化锗（GeO2）正迅速崭露头角，成为新一代功率半导体的竞争者。
二氧化锗作为功率半导体的优势主要有三点：其一，它是具有高功率半导体潜力的超宽带隙半导体；其二，它适用于常规型GeO2 MOSFET的P型和N型掺杂；其三，它拥有廉价的块状晶体和外延层。
二氧化锗的定位（图源：Patentix）
二氧化锗（GeO2）共有五种晶体结构：金红石型、α-石英型、CaCl2型、α-PbO2型和黄铁矿型。日本公司Patentix目前取得突破的就是金红石型二氧化锗（r-GeO2），r-GeO2具有4.6 eV的巨大带隙，理论预测其同时具有n型和p型导电特性。因此，它有望应用于下一代高性能常关型MOSFET等领域。
Patentix 株式会社是一家源自立命馆大学的初创企业，专注于超宽带隙（Ultra-Wide Bandgap, UWBG）半导体材料——二氧化锗（GeO2）的研究开发、制造与销售。自2022 年12月成立以来，公司累计融资额已达10.59亿日元。
为了最大限度地发挥r-GeO2的潜力，需要实现具有最小晶体缺陷的高质量块状衬底。此前该公司曾使用助熔剂法 (Flux Method) 合成块状晶体，最大尺寸约为15x2.5x5mm]。为了利用r-GeO2实现功率半导体器件，更高质量和更大尺寸的块状晶体是必需的。
此次Patentix以传统熔剂法合成的r-GeO2块体晶体作为种晶，Patentix成功实现了全球首例通过FZ法生长的 r-GeO2晶体。如图 1所示，晶体左侧的黑色部分为 FZ 法生长区域，尺寸约为 5 mm。虽然晶体因掺杂添加物而呈现黑色，但其侧面可观察到明显的晶面（facets），显示出较高的晶体质量。
图1：采用FZ法生长的r-GeO₂块体晶体照片。左侧的黑色部分为通过 FZ 法生长的晶体，右侧的白色部分为采用熔剂法（Flux 法）合成的种晶。（图源：Patentix）
通过 X 射线衍射（XRD）对侧面晶面进行分析，确认其对应 r-GeO2的 (110) 晶面（见图 2）。进一步将生长部分研磨成粉末后进行 XRD测试，观察到 r-GeO2的晶峰；但同时也检测到三方晶系（trigonal）GeO2的衍射峰，说明生长晶体中仍含有与金红石型不同的杂相（见图 3）。
图2：晶体侧面晶面的 X 射线 2θ/θ 衍射图谱。
（图源：Patentix）
图3：将晶体粉末化后获得的 X 射线 2θ/θ 衍射图谱。（图源：Patentix）
该公司接下来的目标是制备出半英寸级的 r-GeO2块体衬底悦倍网，更长远的计划是，结合半英寸 r-GeO2块体衬底与Minimal Fab系统，开发出传统半导体材料无法实现的超高性能功率器件。
除了金红石型GeO2，另一方面，三角晶系α-石英型GeO2具有6.2 eV的超大带隙，并表现出压电性。因此，它有望作为HEMT元件应用于下一代肖特基势垒二极管以及6G之后的高容量、高速7G通信。
氧化镓，日本技术积累颇深
接下来让我们再来看看看从前几年就开始被业界追捧的氧化镓（Ga₂O?），被视为继SiC与GaN之后最具潜力的高压功率器件材料。它是一种性能远超氮化镓的无机化合物，目前已知晶相多达六种，其中包括α、β、γ等五种稳定相与一个瞬态相κ－Ga₂O?。其中，β相（β-Ga₂O?）是热力学最稳定、研究最深入的晶体结构，也是当下产业化的主角。
β-Ga₂O?的研究最早可以追溯至日本筑波材料科学研究所（NIMS）与德国柏林 Leibniz 晶体研究所的合作阶段。这种材料熔点高达 1793℃，在高温下其他相都会转变为 β 型，因此只能通过熔体法获得单晶。得益于优异的热稳定性，β-Ga₂O?可采用与硅晶圆相似的 直拉法（Czochralski）实现大规模制备，也可通过边界成形薄膜供料法（EFG）和垂直 Bridgman-Stockbarger法生长，具备显著的工业化潜力。
这与其他宽禁带半导体形成鲜明对比。除碳化硅（SiC）外，大多数新兴宽禁带半导体缺乏同质衬底，只能在异质材料（硅、碳化硅、蓝宝石）上外延，造成晶格失配与大量缺陷，影响器件性能。而Ga₂O?能自支撑生长，无晶格失配问题。
在物理特性方面，β-Ga₂O?的带隙约 4.8 eV，击穿电场达 8 MV/cm，远超 Si（1.1 eV, 0.3 MV/cm）、SiC（3.3 eV, 2.5 MV/cm）与 GaN（3.4 eV, 3.3 MV/cm）；Baliga 优值（BFOM） 约为 SiC 的 10 倍、GaN 的 4 倍，可实现更低导通电阻与更高能效；窄吸收边（260 nm），载流子浓度对紫外透过率影响极小，在深紫外光电器件（DUV）中表现出独特优势；具备优异的热稳定性与化学稳定性。依托这些特性，β-Ga₂O?被视为未来高压功率器件与深紫外光电应用的理想材料。
当然，它也并非完美。β-Ga₂O?的主要短板是导热性低——约为SiC的十分之一，热量易在器件内部积聚。如何解决散热瓶颈，成为未来产业化能否突破的关键议题。
图4：β-Ga₂O?的物理特性及功率晶体管基准图
（图源：镓仁半导体）
更难能可贵的是，氧化镓可在外延生长或离子注入过程中掺杂，且兼容标准的商用光刻与半导体工艺。这意味着它能复用现有的晶圆制造技术，轻松定义纳米级尺寸器件。而多数宽禁带材料不具此优点，甚至 GaN 也不完全具备。
日本在氧化镓研究上的积累可谓深厚。早在2012年，东京 NICT（日本信息通信研究院） 的 Masataka Higashiwaki 教授就发表了全球首个单晶 β-Ga₂O? 晶体管（金属–半导体场效应管，MESFET），其击穿电压超过 250V——要知道，GaN达到同水平耗时近二十年。这项研究首次验证了β-Ga₂O?在高压功率开关器件中的巨大潜力。
这一成果的产业化接力者，是成立于2015年的 Novel Crystal Technology（NCT）。
NCT 致力于氧化镓材料与器件研发，并持续刷新全球性能纪录。
2025年4月，NCT宣布，成功开发出一款垂直结构氧化镓 MOS 晶体管（β-Ga₂O? MOSFET），其功率品质因数（PFOM）达到 1.23 GW/cm2，创下目前全球β-Ga₂O? 场效应晶体管的最高纪录。该指标比此前其他研究机构公布的最高值提升 3.2 倍。该成果预计将大幅推动 0.6–10 kV中高压氧化镓晶体管的发展。NCT 计划进一步采用 NiO 等 p 型异质半导体材料改进终端结构，以进一步降低电极终端电场集中。研究团队的目标是充分发挥β-Ga₂O? 的高击穿场（6–8 MV/cm）潜力，开发出性能超越 SiC 的新一代高压功率晶体管。
β-Ga₂O?MOSFET 结构示意图（a）剖面图 （b）俯视图（图源：NCT）
今年8月1日，NCT还宣布与另一家在外延生长技术（特别是 HVPE 工艺）方面积累深厚的美国氧化镓产生Kyma Technologies达成战略合作，联合开发150 mm（6 英寸）大面积氧化镓外延晶圆的制备工艺，用于多千伏级功率器件的研发与制造。
凭借十余年的研究积累与材料工艺优势，日本团队在氧化镓领域形成了完整的技术体系——从晶体生长、外延技术到器件结构设计，均处于全球领先水平。
氧化镓：中国厂商领跑8英寸时代
但是国内氧化镓产业也不甘示弱，过去三年，国内企业在单晶衬底、外延生长与装备制造等多个环节接连取得突破。
在氧化镓材料最上游的单晶衬底环节，国内的杭州镓仁半导体的进展尤为引人注目。
2025 年 3 月，公司宣布推出全球首块 8 英寸β-Ga₂O? 单晶，成为全球首家掌握该尺寸生长技术的企业。镓仁采用由中国科学院院士、浙江大学杨德仁教授团队自主研发的 铸锭法（Casting Method）——一种创新型熔融生长技术，具备高效率、低成本、流程简洁与可扩展性强等优势。
这一突破不仅打破了全球氧化镓单晶直径纪录，也标志着公司在短短三年间实现了“从 2 英寸到 8 英寸，每年一代”的跨越式发展。8 英寸β-Ga₂O? 衬底与现有 8 英寸硅产线完全兼容，将大幅加快产业化步伐；更大尺寸衬底也有助于提升材料利用率、降低成本、提高制造效率。中国率先进入β-Ga₂O? 的 8 英寸时代，具有深远的战略意义。
（图源：公司官网）
杭州镓仁半导体成立于2022 年9 月，坐落于杭州市萧山区。公司依托浙江大学硅材料国家重点实验室与“浙大—杭州全球科技创新中心”，由中国科学院院士杨德仁担任首席顾问，组建了一支具备自主创新能力的研发与生产团队。公司开创了氧化镓单晶生长新技术，拥有国际、国内发明专利十余项，突破了美国、德国、日本等西方国家在氧化镓衬底材料上的垄断和封锁。
在单晶衬底方面，镓仁半导体在2025年2月，成功制备出 6 英寸斜切型氧化镓β-Ga2O3衬底，该衬底的主晶面为 (100) 面，沿 [00-1] 方向倾斜 4°68，如下图所示。目前，6 英寸β-Ga2O3衬底已实现量产并交付客户使用。
镓仁半导体开发的6英寸斜切型氧化镓（β-Ga2O?）衬底（图源：公司官网）
此外，镓仁还开放了自主研发的垂直 Bridgman（VB）生长系统及配套工艺包。该系统于 2024 年 9 月推出，可在高温高氧环境下实现 β-Ga₂O? 晶体的全自动生长，显著降低人工干预、提升晶体质量。设备支持多晶面取向与大尺寸制备，满足高校、科研机构及企业客户在 β-Ga₂O? 研究与生产中的多元需求。
在氧化镓外延领域，初创企业镓创未来（成立于 2025 年 7 月）也在快速崛起。据 36Kr 报道，该公司于 2025 年 11 月获得千万级天使轮融资，专注于氧化镓外延片的研发与产业化，已具备小批量异质外延生产能力。团队核心成员均为微电子学与固体电子学博士，自 2015 年起深耕宽禁带材料与器件研发，拥有近十年经验。
创始人坦言，氧化镓产业长期受制于衬底成本高、外延供应不足与材料性能限制。目前国产 2 英寸氧化镓衬底仍需使用高成本的铱坩埚，价格约 2 万元/片，相当于同尺寸 SiC 衬底的 40 倍，严重制约产业化。为此，镓创未来选择了两条关键突破路径：异质外延技术路线——在碳化硅、蓝宝石、硅等成熟衬底上生长氧化镓，将材料成本降低 10 倍以上；自主研发 HVPE 设备——实现大尺寸、厚膜与高迁移率，同时在宽掺杂范围内取得关键性能突破，确保异质外延片稳定量产。
公司重点聚焦两大高价值应用方向：1）功率器件端，新能源汽车 800V 以上高压平台、车载充电器、快充桩及 AI 数据中心工业电源；2）光电器件端，日盲紫外探测、深紫外光源及光通信器件等。
国内涉足氧化镓的企业还有铭镓半导体（2英寸单晶和外延片）、深圳进化半导体（衬底）、北京镓族科技（衬底）、杭州富加镓业（2-4英寸单晶衬底和外延片）、苏州镓和（单晶衬底和外延）、苏州镓耀（国内首台量产型氧化镓MOCVD设备）等。总体来看，中国已在氧化镓的材料、外延与装备三个关键环节上完成从“0到1”的技术自立，正在迈向“从1到N的产业化扩展”。
可以预见，超宽禁带氧化物正成为功率半导体的下一个主战场。无论是Patentix推动的“r-GeO₂+Minimal Fab”新体系，还是中日厂商围绕β-Ga₂O? 的产业化竞速，都预示着一个全新的材料时代正在开启。
尤其是β-Ga₂O? ，虽然仍面临导热性不足、成本偏高以及p型掺杂尚未解决等挑战，但它已成为最接近商业化的 UWBG 材料之一，并在高压功率器件市场展现出极强的可替代潜力。氧化镓的全球竞争格局正逐渐成形：日本凭借技术积累领跑上游，而中国则以产业化速度强势突围。中国在第三代半导体 SiC 领域已构筑明显优势，那么，这一优势能否顺延至以Ga₂O?为代表的下一代材料？让我们拭目以待。
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