【专利信息】全球氧化镓专利格局：从日本领先到中日双强

        相比SiC和GaN，氧化镓具有更大的禁带宽度，这意味着其在理论上具备更高的击穿电场和更低的功率损耗。同时，氧化镓单晶可以通过熔体法直接生长，有望实现较低成本的大尺寸衬底制备。因此，在超高压功率电子器件以及日盲紫外探测等领域，氧化镓被认为具有重要的应用潜力。

        随着材料生长和器件技术持续取得突破，氧化镓的发展也正在从早期的基础研究阶段逐步迈向初期商业化阶段。市场研究机构 DataIntelo 预测，到2032年全球氧化镓市场规模有望达到约4.5亿美元。作为当前产业化推进速度较快的第四代半导体材料之一，氧化镓已经成为全球半导体领域的重要技术方向。

        围绕这一材料体系，主要科技国家和地区也在不断加大政策与研发投入。日本在2021年发布的《半导体与数字产业战略》中，已将氧化镓列为重点支持方向，希望继续保持技术领先地位。中国则在“十四五”规划和《国家战略性新兴产业发展规划》中提出，要前瞻布局宽禁带半导体等前沿材料，并围绕大尺寸单晶衬底制备、高质量外延生长、功率器件以及日盲紫外探测器等关键技术开展研发。同时，美国也将氧化镓视为具有重要战略意义的新兴技术，并在2022年将其纳入出口管制体系。

        在这样的背景下，专利数据成为观察技术发展与产业竞争格局的重要窗口。专利不仅记录了技术创新成果，也反映出企业和研究机构的研发布局、目标市场以及技术路线选择。通过对专利数据的系统分析，可以更清晰地理解一个技术领域的发展阶段、主要竞争主体以及核心技术方向。

        基于此，本文对全球氧化镓相关专利进行了系统梳理和分析。数据来源于 Himmpat 专利数据库，通过中英文关键词与IPC分类号联合检索获得，并以2025年12月1日为检索截止时间。经过数据清洗、去重及同族合并处理，共获得3317项专利申请数据。本文将在此基础上对全球氧化镓技术发展进行系统分析。

        从专利申请趋势来看，氧化镓技术的发展大致可以分为三个阶段。

        第一阶段：早期探索期（2004年前）

        这一时期的研究主要集中在晶体生长方法探索以及材料物理性质研究。当时氧化镓尚未被普遍视为下一代功率半导体材料，相关研究规模较小，全球每年的专利申请量通常不足10项，整体处于基础研究阶段。

        第二阶段：技术突破期（2004—2013年）

        2004年以后，日本率先加大在氧化镓领域的研发投入，并逐步形成系统的专利布局。在这一阶段，日本在材料生长和器件研究方面取得了一系列关键突破。例如成功实现2英寸β-Ga₂O₃单晶的生长，并完成氧化镓功率器件的实验室验证。这些成果标志着氧化镓材料开始具备功率器件应用的可行性，也为后续产业化奠定了技术基础。

        第三阶段：研发扩散与初步产业化阶段（2014年至今）

        2014年全球专利申请量首次达到81项，成为技术扩散的重要转折点。当年全球专利申请量明显增长，并在此后持续上升。到2024年，全球年度专利申请量已超过500项。

        随着技术潜力不断被验证，中国、美国等国家迅速加大研发投入，氧化镓逐渐成为全球半导体领域的重要研究方向。目前，中国和日本均已实现2–4英寸氧化镓衬底及外延片的商业化供应，相关功率二极管和MOSFET器件性能不断刷新，并逐步进入应用验证阶段，产业化前景逐渐清晰。

        从专利技术来源来看，氧化镓技术主要集中在中国、日本、韩国、美国和欧洲。其中，中国和日本构成全球最核心的创新力量。

        中国的专利技术来源占比约为64%，在专利数量上已经形成明显优势，成为全球最大的技术来源国。日本占比约25%，虽然数量上不及中国，但其在关键核心技术以及产业链基础方面仍然具有明显优势。

        尤其在上游材料环节，日本企业在氧化镓单晶衬底和外延材料方面积累深厚，形成了较强的产业控制力。许多关键技术突破最早也由日本研究机构和企业完成。

        总体来看，全球氧化镓技术格局已经从早期的日本绝对领先逐渐转变为中日双强竞争。相比之下，韩国、美国以及欧洲在专利数量和技术积累方面仍相对有限，目前主要处于跟进阶段。

        从全球专利申请人排名来看，前15名申请人中，中国占8席，日本占7席，显示出氧化镓技术竞争主要集中在中日两国。

        其中，前三名机构构成第一梯队：

        西安电子科技大学

        Flosfia公司

        田村株式会社

        这些机构在专利数量上明显领先其他申请人。西安电子科技大学的郝跃院士团队长期致力于高质量氧化镓外延技术以及功率器件与射频器件的创新研究，不仅在高质量β-Ga₂O₃薄膜的可控外延生长方面取得关键突破，其功率二极管和射频器件性能也达到世界先进水平。日本的Flosfia公司则专注于α-Ga₂O₃技术路线，依托其自主研发的Mist-CVD技术实现高质量氧化镓薄膜制备，并在器件性能上取得系列突破；该公司已于2025年完成4英寸晶圆制造技术验证，产业化进程位居全球前列；田村株式会社作为氧化镓技术的早期开拓者，早在2012年便实现氧化镓功率器件的实验室验证，并在β-Ga₂O₃外延片可控制备方面奠定基础。其通过分拆成立日本NCT（NovelCrystalTechnology）公司专门推动氧化镓产业化，被视为推动氧化镓材料走向大规模量产的关键力量。

        在第二集团中，日本企业表现突出，其中的株式会社光波、信越化学工业株式会社和日本NCT公司分列第4、5、7位。株式会社光波是日本氧化镓产业链中HVPE设备的核心供应商；信越化学工业株式会社侧重提供外延片整体解决方案；日本NCT公司则专注于氧化镓单晶衬底的研发与商业化，是目前商业级氧化镓衬底的主要供应商。中国企业杭州富加镓业科技有限公司以74项专利申请位列全球第6，是中国氧化镓材料产业化的主力军。该公司在大尺寸单晶制备、MOCVD外延技术以及垂直布里奇曼法（VB法）生长设备方面均取得重要突破，并已启动国内首条 6英寸氧化镓单晶及外延片生产线的建设。其余中国上榜机构均为高校或科研院所，包括湖北九峰山实验室、中电集团十三所、中电集团四十六所、中国科学技术大学、中山大学和山东大学。这些机构在基础研究与关键技术攻关方面发挥关键作用：中电四十六所实现了中国在2英寸、4英寸乃至6英寸氧化镓单晶制备上的连续突破；中山大学则成功研制国内首台大尺寸氧化镓单晶薄膜异质外延生长的MOCVD设备。

        然而值得注意的是，中日两国在创新体系上呈现出明显差异。

        中国上榜者以高校和科研院所为主，显示出当前中国氧化镓技术研发以国家级科研项目和前沿学术探索为主要驱动力，正处于从实验室技术突破向产业化规模应用过渡的关键阶段。相比之下，日本全部为企业主体，表明其技术创新更多由市场需求牵引，研发与产业化结合更为紧密。目前，日本已形成从基础材料、专用设备到器件应用的完整产业链闭环，为中国等追赶者构筑了较高的全产业链壁垒。

        从专利技术分布来看，氧化镓产业技术体系已经形成较为清晰的技术链条，主要包括四个关键环节：单晶生长、衬底加工、外延生长以及器件制造。

单晶生长

        单晶生长是氧化镓产业链最上游的核心技术环节，也是专利布局最为密集的方向之一。当前氧化镓晶体生长主要包括浮区法（FZ）、提拉法（CZ）、导模法（EFG）、垂直布里奇曼法（VB）以及铸造法等技术路线。

        在早期研究阶段，日本在该领域占据明显优势。例如，早稻田大学较早通过浮区法实现了β-Ga₂O₃单晶生长，随后株式会社光波通过在原料中加入特定添加剂改善晶体的热传导性能并稳定晶体生长界面。日本轻金属株式会社则通过掺杂SnO₂降低氧化镓单晶电阻。

        提拉法方面，日本企业也进行了较早探索。例如株式会社光波通过在晶体生长装置中增加杂质去除单元来提升晶体纯度。中国研究机构随后开展了一系列改进工作，例如山东大学通过在铱坩埚上设置圆筒形后热器，有效抑制氧化镓在高温生长过程中的挥发与分解问题；杭州镓仁半导体则通过双温区生长结构与隔热屏设计实现了大尺寸高质量单晶生长。

        目前应用最为广泛的技术路线是导模法。（EFG）。该方法最早由日本企业提出并实现产业化，例如并木精密宝石在2010年前后实现了2英寸氧化镓单晶的批量化生产，使导模法成为主流的氧化镓晶体生长技术。随后，日本企业田村株式会社围绕模具结构、温度场控制以及晶体缺陷抑制等方面进行了持续优化。

        中国研究机构也在该技术方向取得重要进展。例如中国科学院上海光学精密机械研究所较早实现导模法氧化镓晶体生长，并有效抑制气泡和多晶形成；中电集团第四十六研究所通过优化热场结构实现了大尺寸氧化镓晶体的稳定生长；杭州富加镓业则尝试将人工智能技术引入晶体生长过程，实现工艺参数优化。

        为了降低晶体生长成本，近年来垂直布里奇曼法（VB）逐渐受到关注。例如信州大学利用Pt-Rh合金坩埚实现低成本氧化镓晶体生长，日本NovelCrystalTechnology（NCT）则通过掺杂浓度控制以及设备结构改进进一步优化VB法生长质量。中国企业如杭州富加镓业和杭州镓仁半导体也在该技术方向开展了积极探索。

        此外，一些研究机构还提出了新的晶体制备路线。例如浙江大学杭州国际科创中心和杭州镓仁半导体提出通过定向凝固铸造法直接生长柱状单晶，从而降低设备复杂度与生产成本；南京同溧晶体材料研究院和北京镓创科技则开展了冷坩埚法晶体生长研究，通过水冷铜坩埚避免昂贵的铱坩埚使用。

衬底加工

        氧化镓单晶获得之后，需要通过切割、研磨抛光以及清洗等工艺将晶体加工为高质量衬底。衬底加工质量直接影响外延层生长和器件性能，因此也成为重要的专利布局方向。

        在切割技术方面，田村株式会社提出通过构建多排激光改性区域形成分层脆化结构，并结合机械切削工艺，有效解决氧化镓晶体易解理导致的加工效率低的问题。

        在研磨抛光方面，多家机构提出了新的加工方法。例如盐城工学院提出“抗解理悬浮研磨液”，通过特殊添加剂抑制加工过程中的微裂纹扩展；日本材料企业福吉米开发了特定粒径磨粒与酸性调节剂组合的水基研磨体系，以提升研磨效率与表面平整度。

        此外，西安电子科技大学提出利用光催化辅助的化学机械抛光（CMP）技术，以降低抛光时间并减少表面粗糙度。

        在清洗技术方面，日本企业福吉米开发了高浓度表面活性剂清洗体系，以实现低损伤表面清洁；中国企业北京镓族科技则提出多步化学清洗结合超声处理的方法，以获得高洁净度晶圆表面。

外延生长

        外延生长是实现氧化镓器件结构的关键步骤。目前氧化镓外延技术主要包括HVPE、MOCVD、MBE以及Mist-CVD等方法。

        在HVPE技术方面，日本企业和高校处于领先地位。例如田村株式会社与东京农工大学较早实现大口径高质量β-Ga₂O₃外延膜生长，并在后续研究中通过优化气相反应条件提高外延生长速率并改善表面质量。日本NCT公司则通过退火处理与缺陷控制技术进一步提升外延晶片电学性能。

        中国企业也在该领域取得进展。例如北京铭镓半导体在蓝宝石衬底上实现了纯相β-Ga₂O₃厚膜的可控生长；中电集团第四十六研究所通过氢气预处理工艺实现高质量厚外延膜制备。

        在MOCVD技术方面，国内高校贡献了多项创新。例如大连理工大学通过氢辅助生长工艺降低碳污染并提升薄膜纯度；吉林大学通过GaN缓冲层与温度渐变外延策略改善异质外延质量。日本东京农工大学与大阳日酸株式会社则通过高温气体混合技术实现高迁移率氧化镓薄膜生长。中国企业杭州富加镓业通过激光辅助加热结构解决了设备加热不均的问题。

        在MBE技术方面，日本企业较早开展研究。例如田村株式会社通过调节生长温度与VI/III比值实现高质量氧化镓薄膜生长，并实现精确Si掺杂调控。中国方面，中国科学院上海光机所通过在斜切晶面衬底上进行同质外延获得高迁移率薄膜，中国科学院长春光机所则尝试解决氧化镓p型掺杂困难的问题。

        在Mist-CVD技术方面，日本企业Flosfia率先实现α-Ga₂O₃薄膜制备并形成系列专利布局。中国南京大学则通过Mist-CVD技术制备Cr掺杂α-Ga₂O₃外延薄膜，并实现亚稳相氧化镓晶相调控。

        此外，一些研究机构还开展了PLD和LPCVD等方法的探索，但目前尚未成为主流技术路线。

器件制造

        在器件层面，氧化镓主要应用于功率器件和光电器件。典型器件包括：

        肖特基势垒二极管（SBD）

        场效应晶体管（MOSFET / MISFET）

        日盲紫外光探测器

        射频器件与气体传感器

        其中，SBD技术最为成熟。早期专利已实现氧化镓SBD器件结构，此后研究重点主要集中在提升击穿电压与电场调控。例如田村株式会社通过离子注入形成高阻区以改善电场分布，并与日本NCT公司提出沟槽型SBD结构。国内高校方面，西安电子科技大学通过场板结构和垂直结构设计显著提升器件击穿电压；中国科学技术大学则提出利用p型NiO异质结构构建JTE终端以改善耐压性能。

        在场效应晶体管方面，日本企业较早提出基本MESFET结构，但由于栅控能力有限，后续研究逐渐转向MOSFET与MISFET结构。近年来，研究重点集中在栅极结构优化与常关型器件实现。例如，通过复合栅结构、双栅结构以及沟槽栅设计，可以同时提升栅控能力并降低导通电阻。一些研究还通过引入p型NiO栅结构与场板结构，实现高耐压与低功耗兼顾的常关型器件。

        总体来看，氧化镓器件技术仍处于快速发展阶段，其中功率器件和紫外探测器是当前研究和专利布局的重点方向。

        氧化镓产业仍处于从科研突破走向规模化应用的重要阶段。随着材料质量提升、外延技术成熟以及器件结构不断优化，氧化镓在超高压功率电子、紫外探测以及高频电子器件等领域具有广阔应用前景。

        对中国而言，未来提升产业竞争力的关键主要体现在两个方面。

        一方面，需要进一步推动企业成为技术创新主体，加强企业、高校和科研机构之间的协同创新，提升技术转化效率。另一方面，还需要加强全球范围内的专利布局，在国际主要市场构建更完善的知识产权体系，以应对日益激烈的全球技术竞争。

        随着产业链逐渐完善，氧化镓有望在未来几年迎来更快的发展，并成为继SiC和GaN之后的重要功率半导体材料体系。