全球超宽禁带氧化镓半导体研发态势及启示

氧化镓半导体产业链分为衬底、外延和器件三大环节，相应地，氧化镓产业产品主要包括衬底、外延片和功率器件。龙头企业一般为垂直整合型（Integrated Design and Manufacture，IDM）企业，能够提供全链条产品。日本村田制作所旗下的诺维晶科公司就属于集“衬底—外延—器件”生产能力于一体的氧化镓半导体IDM企业，目前几乎垄断了全球氧化镓半导体商业市场。

氧化镓半导体产品成本的50%来自衬底制造，而衬底制造的关键在于氧化镓单晶生长技术路线的选择。氧化镓衬底的技术路线以块体单晶的生长方法进行划分。现有主要的氧化镓衬底块体单晶生长技术有7种，包括导模法（edge-defined film-fed growth，EFG）、提拉法（czochralski，CZ）、垂直布里奇曼法（vertical Bridgman，VB）、浮区法（floating zone，FZ）、焰熔法（verneuil）、铸造法和冷坩埚法（oxide crystal growth from cold crucible，OCCC）。上述几种方法各有优缺点，仅导模法已实现产业化。而采用导模法生产氧化镓衬底的日本诺维晶科公司（Novel Crystal Technology，NCT）几乎垄断了全球氧化镓衬底的供应。

导模法是唯一实现商业化的技术路线，日本诺维晶科已供货4英寸（1in=2.54cm）的衬底。这种方法的优点是生长速率较高、晶体形状可控性强、能够生产大尺寸晶圆衬底，适用于产业化，但生产过程需要昂贵的铱坩埚，对模具设备和工艺操作要求较高，导致其制备成本较高。因此虽然导模法已实现产业化，但用户仍以高校和科研院所为主。

提拉法的优点是生长晶体质量高、尺寸较大、成本较低，但生产过程也需要铱坩埚，气体氛围要求严苛，难以生长2英寸以上的氧化镓衬底，且易生长出螺旋形状的晶体。提拉法已初步实现产业化，但生长尺寸和速度均不及导模法。提拉法的氧化镓衬底成本也较高，仅有少量机构采用，实用化前景不明朗。

垂直布里奇曼法的优点是晶体质量高，适合闪烁晶体、半导体晶体及中红外非线性光学晶体的生长制备，对气体氛围要求宽松，可制备出1英寸的氧化镓衬底，但生产过程需要比铱坩埚价格更加昂贵的铂铑合金坩埚，其熔点较接近于氧化镓晶体，易造成污染，且生长速率较低，不太适合工业化生产。垂直布里奇曼法尚未实现产业化，但该方法制备的氧化镓衬底质量高。近年来日本诺维晶科公司也在积极探索该技术路线，表明其具备一定的产业化潜力。

浮区法的优点是方便控制掺杂水平和晶体质量，生产过程不需要坩埚，但降温过程中容易使晶体产生严重开裂。当晶体尺寸较大且加热困难时，实验室采用浮区法最多仅能够制备出1英寸的氧化镓衬底。一般而言，浮区法更加适合用于实验室探索，而较难进行产业化。

焰熔法的优点是成本低，生产过程不需要坩埚，但生成的晶体质量较差，常出现气泡、包裹物和开裂等严重缺陷，且生长的氧化镓单晶尺寸不超过1英寸，不适于生产晶圆衬底。20世纪60年代，美国航空航天公司的研发人员曾采用焰熔法制备出首个氧化镓单晶，但焰熔法现已成为淘汰技术路线。

与提拉法类似，铸造法直接将原料放置于坩埚中进行升/降温，使得原料融化并结晶，但大幅减少了铱的用量，显著降低了成本。铸造法尚处于开发阶段，与实现产业化有较大距离。采用铸造法生产氧化镓衬底，其生长过程大量减少了对铂族贵金属的消耗，成本较导模法、提拉法和垂直布里奇曼法有望显著降低，是一种值得探索的新兴技术路线。

日本东北大学和日本C&A公司合作开发出一种无须使用铱坩埚的新型氧化镓晶体生长技术——冷坩埚法。该方法使用带有空隙的水冷框体，将氧化镓原料置于其中。随后，通过高频线圈产生磁场，直接加热氧化镓原料使其熔化。在原料熔体与水冷框体之间存在低温区域，原料在此区域凝固，并取代盛放熔体的坩埚。通过高频加热熔化原料的中心部分，同时适当冷却周边部分，即可实现晶体的稳定生长。目前，冷坩埚法处于开发阶段，与实现产业化有较大距离，但其无须消耗铂族贵金属，因而有望大幅降低氧化镓衬底的生产成本，同样是一种值得探索的新兴技术路线。

氧化镓外延片质量与外延设备和工艺密切相关。氧化镓外延片制造技术主要包括卤化物气相外延（halide vapor phase epitaxy，HVPE）技术、金属有机物气相外延（metal-organic vapor phase epitaxy，MOVPE）技术和分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）技术。其中，HVPE技术和MOVPE技术已被成功用于氧化镓外延片的产业化生产。日本流慧公司（FLOSFIA Inc.）则采用了独特的基于蓝宝石衬底的mist-CVD法α-Ga₂O₃异质外延的技术路线。

HVPE技术是日本诺维晶科公司垄断氧化镓半导体市场的关键。该技术的优点是生长速率高、成本较低，但层厚不易控制。这一技术的用户主要是以日本诺维晶科公司为代表的氧化镓半导体生产商，其在HVPE技术与产业化方面处于领先地位。目前虽然能够生产合格衬底的企业较多，但能够生产合格外延片的企业较少。日本诺维晶科公司在HVPE法氧化镓同质外延片方面处于绝对领先地位，这也是该公司垄断全球氧化镓半导体市场的关键所在。

MOVPE技术在氧化镓外延片产业化生产方面存在一些问题。MOVPE技术是广泛应用于半导体、太阳能电池和显示照明器件制造的金属有机物化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）技术的一种，优点是生长速率较高、成膜面积大和薄膜质量高，但工艺复杂。这一技术的主要用户是德国莱布尼茨晶体生长研究所（Leibniz-Institut für Kristallzüchtung，IKZ）、日本东京农工大学和日本大阳日酸公司等。CZ+MOVPE技术路线由于在块体单晶生长速率和薄膜外延生长速率两个方面均不及EFG+HVPE技术路线，因而仍未能实现产业化。

MBE技术仅适用于制备科研用氧化镓外延片。其优点是薄膜外延质量高、掺杂控制能力强，但生长速率低、设备昂贵，主要用于开展氧化镓半导体相关科研工作，不适宜大规模工业化生产。

氧化镓半导体器件产品主要包括肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode，SBD）、金属氧化物半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor filed effect transistor，MOSFET）和日盲光电探测器（solar-blind photo detector，SBPD）三大类。然而，由于难以制备出稳定的p型氧化镓，氧化镓半导体器件都是单极型器件或与其他半导体构成的异质pn结。

氧化镓基SBD已实现小批量供货。氧化镓基SBD是最基础的氧化镓半导体器件，目前以垂直型SBD为主。通过采用沟槽结构或半绝缘终端可提升氧化镓基SBD击穿电压，主要用作功率器件，以替代硅基绝缘栅双极型晶体管（insulate gate bipolar transistor，IGBT），甚至是碳化硅基SBD、碳化硅基MOSFET，可应用于新能源汽车、轨道交通、风电和智能电网等领域。

氧化镓基MOSFET已接近商业化。氧化镓基MOSFET较氧化镓基SBD结构更复杂，性能更优越，应用领域相同。氧化镓基MOSFET主要分为水平型（横向）、单鳍垂直型和多鳍垂直型3种，水平型氧化镓基MOSFET已接近商业化。

氧化镓基SBPD尚处于探索阶段。氧化镓基SBPD是一种尚在探索中的前沿光电器件，有望应用于军事监视、导弹预警、安全通信、紫外天文学、医学成像、化学/生物分析、电晕探测、臭氧层空洞监测和火焰探测等领域。主要包括金属-半导体-金属型、SBD型、异质结型和场效应晶体管（filed effect transistor，FET）型4类，目前以军方研究为主，尚未实现产业化。

氧化镓半导体产业化尚处于早期阶段，日本诺维晶科公司居于显著领先地位，几乎垄断了全球氧化镓半导体民用市场。日本流慧公司因其独特的蓝宝石衬底技术路线，在理论上具备成本优势，但其生态相对封闭，市场表现仍有待观察。日本C&A公司的低成本衬底制备技术仍未完全实现产业化。美国Kyma Technologies公司与美国空军研究实验室、美国海军研究实验室开展了深度合作，建立起“诺维晶科提供衬底—Kyma Technologies代工外延—美军实验室研制器件”的协作链条。德国莱布尼茨晶体生长研究所的“CZ+MOVPE”技术路线产业化进度不及“EFG+HVPE”技术路线。中国企业在氧化镓衬底方面与日本企业的差距较小，但在外延和器件方面的差距较为显著，HVPE技术是中国氧化镓半导体发展需要突破的关键技术瓶颈。全球主要氧化镓半导体企业技术研发的进展情况见表1。

日本、美国和中国是全球范围内氧化镓半导体发展居于前列的国家，这与三国重视氧化镓半导体技术和产业发展、政府机构超前部署相关支持政策密不可分。

2009年，日本新能源产业技术综合开发机构（The New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO）开始推行“实现低碳社会的下一代电力电子项目”，项目周期为2009—2019年。该项目的子研究项目“实现低碳社会的新材料功率半导体项目”提出，以碳化硅、氮化镓、氧化镓等宽禁带和超宽禁带半导体材料为重点研究方向，聚焦其晶体生长、晶圆制造、外延片和功率模块等研究。

2014年5月，日本内阁府在其“战略性创新创造计划”（Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program，SIP）框架下推行“下一代电力电子研究开发计划”，计划周期为2014—2018年。该计划旨在以碳化硅、氮化镓、氧化镓等宽禁带和超宽禁带半导体材料和器件的开发为基础，提高电力电子器件性能，拓展其应用领域，提高其普及程度，推进低碳社会目标的实现，增强日本在宽禁带和超宽禁带半导体产业方面的竞争力。

2020年7月，日本总务省发布《Beyond 5G推进战略》，提出“Beyond 5G”应具备超低功耗的特点（仅为当前功耗的1/100），而氧化镓半导体是实现超低功耗的关键技术之一。

2021年6月，日本政府多部门联合发布《2050年碳中和绿色增长战略》，提出发展超高效下一代功率半导体实用化技术，支持碳化硅、氮化镓和氧化镓等宽禁带和超宽禁带半导体材料的研发，支持相关产能建设投资和供应链完善举措，争取到2030年下一代功率半导体实现节能50%以上，并占据全球市场份额的40%。

2023年6月，日本经济产业省修订《半导体·数字产业战略》，强调通过提高性能强化新一代功率半导体（碳化硅、氮化镓、氧化镓）的产业竞争力，在提高晶圆尺寸的同时，立足于用户需求，实现新一代半导体材料晶圆的超高品质化生产。以获得市场份额为目标，推动氮化镓、氧化镓功率半导体在新能源设备方面的应用。

2023年8月，日本政府发布《经济安全保障技术培育计划·研究开发展望（第二批）》，在“网络空间和综合领域”中的“下一代半导体材料和制造”中提出，发展大功率、高效能半导体功率和射频器件的材料技术，加强下一代半导体微细加工工艺及衬底制造关键技术，并强调采用高品质、大尺寸镓基半导体开发半导体功率和射频器件，特别是发展低成本衬底生长氮化镓外延技术和氧化镓衬底晶体生长技术。

日本政府注重在氧化镓半导体衬底、外延和民用功率器件方面部署相关政策，并且在近年来大力推动氧化镓半导体的实用化和商业化，将其置于与已实现大规模产业化的碳化硅半导体和氮化镓半导体同等的地位。

2014年1月，时任美国总统奥巴马在北卡罗来纳州立大学宣布，以该校为核心建立下一代电力电子技术国家制造业创新中心（The Next Generation Power Electronic Manufacturing Innovation Institute）。下一代电力电子技术国家制造业创新中心主要聚焦于宽禁带半导体电力电子技术，目标是通过对宽带隙半导体技术的研发，制造出比目前硅基电力电子设备更具性价比的下一代节能、大功率电子器件，并通过对电力电子设备的改进，提高汽车、消费电子产品和电网的效能。

2022年8月，美国商务部工业和安全局（Bureau of Industry and Security，BIS）宣布对4项“新兴和基础技术”采取管制措施，其中包括超宽禁带半导体材料氧化镓。

2023年12月，美国国防部（Department of Defense，DOD）宣布开启2024财年微电子共享计划项目征集（CFP）工作，将提供2.8亿美元资金支持国内微电子原型设计与制造，为美军建立可持续的国产微电子产品通道。该计划重点关注6个关键技术领域，其中“商业跨越式技术”（commercial leap-ahead technologies）领域分为10个细分技术方向，包括“高压氧化镓功率开关技术”。

美国政府针对氧化镓半导体的政策部署偏向安全和军事领域，优先考虑氧化镓军用器件技术研发，与日本政府的相关政策形成了“互补”，这体现出两国在氧化镓半导体产业政策上初步形成了协同。

2018年5月，中国科技部发布《国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项拟立项的2018年度项目公示清单》，其中第一项为“超宽禁带半导体材料与器件研究”。

2021年11月，中国工程院发布《面向2035的新材料强国战略研究》，在集成电路新材料需求中提出发展氧化镓单晶，在关键战略材料领域发展重点及发展方向（先进半导体材料及芯片制造和封装材料）中提出发展超宽禁带半导体材料。

2022年3月，中国科技部发布《“十四五”国家重点研发计划“新型显示与战略性电子材料”重点专项申报通知》，其中包括“大尺寸氧化镓半导体材料与高性能器件研究（共性关键技术）”项目。

2023年9月，北京市人民政府办公厅印发《北京市促进未来产业创新发展实施方案》，面向前沿新材料需求，在海淀、房山、顺义、大兴和亦庄等区域，重点发展石墨烯材料、超导材料、超宽禁带半导体材料、新一代生物医用材料等未来材料。其中，在超宽禁带半导体材料方面，提出“加大以氧化镓为代表的超宽禁带（第四代）半导体材料制备技术研发攻关力度，重点突破单晶生长、切割打磨、同质外延及载流子调控等关键技术，推动氧化镓材料在光伏、风电、工业电源功率逆变器、新能源汽车车规级功率器件等领域和方向的应用”。

中国政府在氧化镓半导体产业政策部署方面，着眼全产业链和全应用领域，不仅中央政府高度重视发展氧化镓半导体相关技术与产业，地方政府也出台了具体的氧化镓半导体产业发展政策，并对产业化应用提出了目标。

本文基于美国Dialog公司的Innography专利数据库，从单晶生长与衬底加工、薄膜外延、器件设计与制造3个方面，分析了近10年来（2014年1月1日—2023年12月31日）全球氧化镓半导体领域应用研究的发展态势和竞争格局。

2014—2023年全球氧化镓半导体技术专利申请与授权数量变化趋势如图1所示。全球氧化镓半导体相关专利申请数量为3148件，授权912件。氧化镓半导体技术相关专利数量随时间变化整体呈增长态势。由于专利申请后于18个月内公开，2022年和2023年的专利数据不完整，这两年专利申请和授权数量“有所下降”。

2014—2023年氧化镓半导体技术专利申请数量排名前10位的国家和地区如图2所示。中国和日本在氧化镓半导体技术相关专利申请上处于绝对领先地位，韩国、美国和德国也申请了较多的专利。其中，中国、美国和日本的氧化镓半导体技术专利申请量在全球的占比达到91.3%。

2014—2023年氧化镓半导体技术专利申请数量排名前5位的国家和地区年度变化如图3所示。从2018年起，中国氧化镓半导体技术专利申请数量跃升为全球第一位并保持至今。此外，全球氧化镓应用技术研发高度集中在少数国家，中美德日韩五国在氧化镓半导体技术相关专利申请量的占比始终维持在92%以上。

2014—2023年全球氧化镓半导体技术专利申请数量排名前20位的机构如图4所示，除韩国陶瓷工程技术研究所以外，其余全部为中国和日本的机构。其中，9家日本机构均为企业，包括全球氧化镓半导体领军企业村田制作所及其子公司诺维晶科公司，专注于氧化镓半导体的流慧公司，传统电子元器件厂商TDK（与诺维晶科合作开发氧化镓半导体）、日本碍子和三菱电机（诺维晶科和流慧公司的大股东），半导体材料与化工巨头信越化学、住友金属矿业，车用功率半导体应用大户丰田及其子公司电装（流慧公司的大股东之一），以及日本唯一一家企业化运作的私有实验室——半导体能源实验室（营收主要来源为技术许可）。10家中国机构中仅中国电子科技集团（包括中国电子科技集团公司第十三研究所、中国电子科技集团公司第四十六研究所）和杭州富加镓业科技有限公司为企业，专注于化合物半导体技术开发的湖北九峰山实验室为企业化运作的研发机构，其他7家均为高校或科研院所。

2014—2023年全球氧化镓半导体衬底技术专利申请数量为806件，授权数量为227件（授权率为28.2%），其中衬底技术专利申请数量排名前5位的国家和地区如图5所示，中国和日本显著领先其他国家。相较于氧化镓半导体整体产业链技术，日本在氧化镓半导体衬底技术方面申请的专利较多，排在中国之前。中美德日韩五国氧化镓单晶生长与衬底加工技术专利申请数量在全球的占比达到96.3%。

2014—2023年全球氧化镓衬底技术专利申请数量排名前5位的机构如图6所示。其中，日本诺维晶科公司已能够商业化供应导模法4英寸氧化镓衬底，且已研制成功导模法6英寸氧化镓衬底，还与日本信州大学合作，基于垂直布里奇曼法研制出6英寸氧化镓衬底，但并未实现产业化。德国莱布尼茨晶体生长研究所是采用提拉法生产氧化镓衬底的代表机构，并已向美国空军研究实验室供应氧化镓衬底用于开发氧化镓基半导体器件，美国Kyma Technologies公司的提拉法1英寸氧化镓衬底已实现商业化供应，但两家机构专利申请数量较少。杭州富加镓业科技有限公司为中国科学院上海光学精密机械研究所与杭州市富阳区人民政府共建企业，目前已实现导模法4英寸氧化镓衬底产业化。此外，在新兴技术路线方面，杭州镓仁半导体有限公司采用铸造法已成功研制出6英寸氧化镓衬底，深圳进化科技有限公司也采用冷坩埚法生产氧化镓衬底，但专利申请数量较少。

2014—2023年全球氧化镓外延技术专利申请数量为547件，授权数量为139件（授权率为25.4%），其中外延技术专利申请数量排名前5位的国家和地区如图7所示，中日两国显著领先其他国家和地区。中美德日韩五国氧化镓外延技术专利申请数量在全球的占比达到96.9%。

2014—2023年全球氧化镓外延技术专利申请数量排名前5位的机构如图8所示。目前，诺维晶科的EFG+HVPE技术路线是氧化镓半导体产业化的主流技术路线，主流产品为HVPE法2英寸外延片，HVPE法4英寸外延片也已实现产业化，并已成功研制HVPE法6英寸外延片，其MBE法氧化镓外延片则主要应用于科研领域。美国Kyma Technologies公司是专业HVPE设备制造商和氧化镓外延代工厂商，但该公司专利布局较少。中国电子科技集团公司第四十六研究所已研制出高质量2英寸HVPE法氧化镓同质外延片，但尚未实现实际出货。北京镓族科技有限公司和杭州富加镓业科技有限公司也采用MOVPE法制造氧化镓外延片，但专利申请数量较少。

2014—2023年全球氧化镓器件技术专利申请数量为2455件，授权数量为713件（授权率为29.0%），器件技术专利申请数量排名前5位的国家和地区如图9所示，中日两国显著领先其他国家和地区。

2014—2023年全球氧化镓器件技术专利申请数量排名前5位的机构如图10所示，中国电子科技集团在氧化镓器件设计与制造技术方面的专利申请数量较多。实验室研制的氧化镓基SBD的击穿电压可达到3kV，日本诺维晶科开发的商业化氧化镓基SBD产品击穿电压可达1.2kV。在MOSFET方面，该公司研制出了反向双重离子注入型金属氧化物半导体场效应晶体管（double implanted MOSFET，DI-MOS），并开发出击穿电压达到4.2kV的氧化镓基MOSFET。另外，日本流慧公司也开发出α-氧化镓基SBD器件，但尚未实现供货，专利布局也较少。中国电子科技集团公司第十三研究所也研制出击穿电压超过4kV的氧化镓基MOSFET。

超宽禁带氧化镓半导体因具有超高击穿电压和高电子饱和速度等优越特性，成为近年来重点发展的新一代战略性先进电子材料，在航空航天、交通、能源和国防等领域具有重要应用价值。国内外氧化镓半导体技术处于快速发展阶段，仅通过10年左右就实现了6英寸衬底和外延（碳化硅用了35年左右），迅速成为新兴的半导体行业细分赛道，未来围绕氧化镓衬底、外延和器件为核心的技术体系和产业链将不断发展完善。

氧化镓半导体的实用化关键在于降低氧化镓衬底成本。导模法、提拉法、垂直布里奇曼法等技术路线在氧化镓衬底生长方面显现出各自特点。从全球主要氧化镓半导体企业技术研发进展情况看，日本诺维晶科主导的导模法已实现2英寸及4英寸氧化镓单晶衬底的商用，6英寸衬底也研制成功，产业化优势明显。此外，从2014—2023年氧化镓半导体衬底技术专利申请数量和优势机构排名看，日本在氧化镓衬底技术相关专利方面布局完善，在专利申请数量、授权率和机构实力方面均居于领先地位。然而，导模法、提拉法和垂直布里奇曼法等技术路线需要成本高昂的铂族贵金属坩埚（主要为铱坩埚），在控制成本的前提下研制更大尺寸的衬底面临一定挑战。铸造法和冷坩埚法是极具前景的少铱、无铱氧化镓衬底研制技术路线。中国的浙江大学、杭州镓仁半导体有限公司、深圳进化科技有限公司等对该技术有相关布局，但仍处于从实验室到产业化的早期阶段。对此，中国应重点支持相关机构探索各种少用或不用贵金属坩埚生长大尺寸氧化镓衬底单晶的新技术路线，同时推动传统技术路线减少贵金属用量，从根本上促进氧化镓半导体产业降本增效。

日本企业在氧化镓半导体产业方面居于领先地位，其关键在于HVEP技术的成熟应用。日本诺维晶科公司已实现4英寸HVPE法氧化镓同质外延片供货，正在引领6英寸HVPE法氧化镓外延技术开发，证明了采用HVEP技术生长高质量氧化镓外延片是一条可行的产业化技术路线。此外，日本在氧化镓外延技术相关专利方面布局完善，在专利申请数量、授权率和机构实力方面均居于领先地位。中国在HVPE技术专利布局与产业化方面的进展显著落后于日本。研究进展较快的中国电子科技集团公司第四十六研究所已研制出高质量2英寸HVPE法氧化镓同质外延片，但尚未实现供货。对此，应重点支持机构开发HVPE技术相关材料、设备和工艺，加快推进其实用化、高效化和低成本化，突破中国氧化镓半导体产业的瓶颈。

快充、光伏和工业电源用逆变器等功率器件应用领域有望成为氧化镓半导体最先落地的大规模应用领域。然而，这一领域对功率器件性能和可靠性要求不高，更看重低成本优势，不利于氧化镓半导体产业的持续发展。从全球氧化镓专利布局来看，日本车规级功率器件厂商三菱电机、汽车及零部件厂商丰田及其子公司电装等，正在积极开展氧化镓半导体相关技术布局。此外，从特斯拉公司将碳化硅基SBD器件应用于新能源汽车功率模块“引爆”碳化硅半导体产业发展，以及碳化硅作为高性能氮化镓射频器件衬底应用于先进军用雷达电子系统的情况可以看出，氧化镓半导体产业取得突破性发展的关键在于找到示范性应用。为此，应瞄准一般工业领域低成本氧化镓功率器件和高可靠性车规级氧化镓功率器件这一潜在市场，同时注重发挥氧化镓半导体在高性能射频器件和军用光电探测器件应用上的技术牵引作用，以“高低搭配”“军民融合”的方式推进氧化镓半导体示范性应用落地。