第四代半导体提速，氧化镓会是黑马吗？

日本企业Novel Crystal Technology（NCT）自研氧化镓晶圆，并以此试制可承受高压、大电流的肖特基二极管。这种材料通常写作Ga₂O₃，其最稳定的β相禁带宽度约4.8电子伏特（eV），理论击穿场强可达8 MV/cm量级，明显高于碳化硅（约3 MV/cm）与氮化镓。禁带越宽，材料能承受的电场越强，同等耐压等级下漂移区可以做得更薄、掺杂更高，器件的导通电阻与损耗随之下降——这正是宽禁带材料在功率器件上受追捧的根本原因。

成本优势的来源值得单独说明。碳化硅长晶主流采用物理气相传输法，高温、慢速，且易产生微管等缺陷；氧化镓则可以直接从熔体中生长，NCT采用的导模法（EFG）与国内企业使用的铸造法都属于这一类。熔体法意味着更快的生长速度、更好的尺寸扩展性，也不需要反复“练”晶体。原文所说的“制备难度更低、成本更低”，主要来自这一点。但需要区分两层成本：衬底便宜，不等于器件便宜，原因后文会交代。

二氧化锗是另一条技术路线，其中金红石型（r-GeO₂）最受关注，日本Patentix是这一方向的主力之一。该公司由立命馆大学孵化，主营r-GeO₂外延晶圆的研发与销售。其禁带宽度约4.68 eV，略低于β-Ga₂O₃，但远高于氮化镓（3.4 eV）与碳化硅（最高约3.3 eV），因此被归入“超宽禁带半导体”。与氧化镓相比，研究界更看重它的几点：可双极掺杂、电子迁移率更高、热导率更好，理论上巴利加优值也更占优势；短板则在制备——目前还没有可用的r-GeO₂体单晶衬底。

仍处于研发阶段

市场上还没有基于Ga₂O₃或GeO₂量产的功率晶体管与二极管。参考碳化硅的节奏会更清楚：2011年，后来更名为Wolfspeed的科锐（Cree）才推出首款量产的碳化硅MOSFET，而时至今日，碳化硅功率开关仍被视作新技术。实验室层面的指标已经走得更远——NCT发布过世界上首颗安培级、1200 V击穿电压的氧化镓肖特基二极管，2026年8月的一篇预印本论文还报道了2.34 kV的沟槽RESURF结构二极管——但这些都属于样品与论文级别，距离车规级、电网级的可靠性验证仍有数年。

尺寸是产业化最直观的刻度。NCT目前可提供2英寸、4英寸（50/100 mm）的β-Ga₂O₃衬底，并在2026年2月宣布开始150 mm（6英寸）衬底的样品出货，规模化供应预计要到2027年前后。Patentix的“6英寸”则需要特别说明：按其公开资料，现阶段实现的是在6英寸硅衬底上外延生长单晶r-GeO₂薄膜，即“GeO₂ on Si”，而非可独立使用的6英寸r-GeO₂体衬底，公司自己也将向自支撑衬底的过渡列为难点。作为对照，碳化硅衬底已做到8英寸（200 mm），英飞凌则是首家能生产12英寸（300 mm）氮化镓晶圆的厂商。晶圆越大，单片切出的芯片越多，单颗成本越低——这也解释了为什么“能不能做大”往往比“性能多好”更能决定一种材料的商业命运。

氧化镓的问题同样明确。其室温热导率仅约10–27 W/(m·K)，大致只有4H-SiC的十分之一甚至更低，大功率下自热严重，沟道温度可能高到影响可靠性；加之p型掺杂长期无法有效实现，材料难以构建pn结，IGBT、pin二极管这类双极器件基本无从谈起，可做的只有肖特基二极管与场效应管。业界的应对之道是把Ga₂O₃薄膜异质集成到碳化硅、金刚石等高导热衬底上，近期研究报道的β-Ga₂O₃/碳化硅界面热导已达约90 MW/(m²·K)，明显优于传统键合方案。这也意味着“衬底便宜”省下的钱，有一部分要还给封装与散热。

从格局上看，β-Ga₂O₃已形成日美先发、中国追赶的态势。日本除NCT外，还有走α相路线的FLOSFIA，以雾化CVD在蓝宝石衬底上外延，路线不同而目标一致；美国以高校研究和Kyma等衬底厂商为主，早期多靠军方与能源部项目支撑。中国的进展集中在材料端：中国电科46所2023年制备出国内首颗6英寸氧化镓单晶；杭州镓仁半导体2026年6月建成全球首条兼容6/8英寸的氧化镓同质外延量产线，并向头部芯片客户批量供货，9月又宣布实现12英寸氧化镓晶体的等径生长。

还有一层容易被忽略的变量是原料。镓与锗都是中国的出口管制物项，2023年8月起实行出口许可，2024年12月进一步原则上不予许可对美出口。据调查数据，中国镓产量占全球九成以上，锗的供应也长期占全球大部分。

碳化硅值得当作参照系，也包括它的教训。2025年6月30日，碳化硅龙头Wolfspeed申请破产保护，9月29日完成重整、债务削减约七成后复出——这说明即便是一种已经规模商用的材料，产能扩张与价格竞争同样能把龙头拖进困境。对新材料来说，真正的机会未必在“全面替代碳化硅”，而在碳化硅性价比不佳的细分场景：电网与轨道交通的超高压开关、光伏与储能的直流侧、大功率充电、数据中心供电。按目前的衬底尺寸与缺陷水平判断，商用器件更可能出现在2030年前后，而不是两三年内。

结论不必夸张。氧化镓与二氧化锗的价值在于更宽的禁带和更省的晶体生长，局限在于更差的热和缺席的p型。这两条同时成立，决定了它们在一段时间内是碳化硅与氮化镓的补充而非替代。接下来几年值得盯住三个刻度：衬底能否稳定做到6英寸、位错密度与热管理方案能否达标、是否出现通过车规或电网验证的器件。