【会员论文】2026 年超宽禁带 β-Ga₂O₃ 半导体技术路线图 —— 从熔体法材料制备到高压功率器件

        由德国莱布尼茨晶体生长研究所周大顺博士等人的研究团队在学术期刊 IEEE Electron Devices Magazine 发布了一篇名为 2026 Roadmap for Ultrawide Bandgap β-Ga₂O₃ Semiconductors: From Melt-Grown Materials to High-Voltage Power Devices（2026 年超宽禁带 β-Ga₂O₃ 半导体技术路线图 —— 从熔体法材料制备到高压功率器件）的文章。

        全球电气化发展对电力电子器件提出更高要求，SiC 与 GaN 虽已实现商业化，但受限于禁带宽度，在超高压工况下仍存在短板。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，拥有 4.5-4.9 eV 的禁带宽度，理论击穿场强可达 ~8 MV/cm，同时可通过直拉法、EFG 等熔体生长工艺制备大尺寸本征衬底，这是其他超宽禁带材料不具备的突出优势。自 2012 年首个 β-Ga₂O₃ 单晶晶体管问世以来，该领域快速发展，但材料仍存在多项关键瓶颈：无法实现实用 p 型掺杂、热导率各向异性且数值偏低、晶圆缺陷密度有待降低、器件可靠性标准化体系缺失。本文梳理 β-Ga₂O₃ 体单晶、外延工艺、各类功率器件架构，分析材料-器件-系统耦合约束，给出近、中、长期三级技术发展路线，为高压直流输电、脉冲功率系统等超高压应用提供参考。

        全球电气化转型，需要突破硅实际性能极限的电力电子器件。SiC 和 GaN 在一定程度上应对了该需求，但受限于自身不算高的禁带宽度（3.3–3.4 eV）、中等临界击穿场强（3.0–3.3 MV/cm）以及高昂的衬底工艺成本，在超高压应用场景中仍然存在局限。β-Ga₂O₃ 属于超宽禁带半导体，禁带宽度为 4.5–4.9 eV，理论临界击穿场强接近 8 MV/cm；并且在超宽禁带半导体中独有的优势是，可以利用直拉法（Cz）、导模法（EFG）实现可规模化熔体生长本征衬底。2012 年首个 β-Ga₂O₃ 单晶晶体管问世，推动多千伏器件技术快速发展。本文综述不单纯追求各项性能记录，重点阐述对器件设计有价值的见解，以及约束 β-Ga₂O₃ 超高压电力电子实用化路线的材料-器件-系统耦合关系。

        ①系统对比 β-Ga₂O₃、SiC、GaN、Si 的关键本征参数，点明 β-Ga₂O₃ 熔体法可规模化制备衬底的独有优势，同时客观梳理热导率、无实用 p 型掺杂两大核心短板；

        ②完整对比 HVPE、MOVPE、MBE、Mist-CVD 四种主流 β-Ga₂O₃ 外延工艺，解析生长速率、膜厚、电学质量三者之间的权衡取舍；

        ③分类梳理肖特基二极管、横向 MOSFET、垂直平面 MOSFET、UMOSFET/FinFET、JFET 等器件架构的适用电压区间、散热路径与技术风险；

        ④剖析缺陷密度、各向异性低热导率、p 型掺杂缺失三项材料本征条件如何约束器件架构设计，总结终端技术、热管理、可靠性现存问题；

        ⑤划分近、中、长期三阶段技术路线（TRL 技术成熟度分级），给出晶圆、器件、系统层面可落地的发展目标，客观定位 β-Ga₂O₃ 为互补型而非替代型超高压半导体。

        β-Ga₂O₃ 具备突出特点：超宽禁带（4.5–4.9 eV）、理论临界击穿场高（~8 MV/cm），并且适配可规模化熔体生长工艺，可以制备本征衬底，晶圆尺寸拓展能力优于传统 SiC、GaN 块体技术。HVPE、MOVPE、MBE、Mist-CVD 等多种外延工艺各有所长，既可制备厚漂移层，也可实现高迁移率器件结构。借助电场调控与先进终端设计，肖特基二极管与 MOSFET 器件已经达到多千伏等级。

        约束 β-Ga₂O₃ 电力电子实用化路线有三大限制因素：

        1）低热导率并且存在各向异性，从根本上限制功率密度，必须开展器件-热封装协同设计；

        2）缺少可用的 p 型掺杂，器件只能采用单极架构，依靠静电电场调控实现功能；

        3）缺少标准化可靠性考核方案，是实现系统级应用最关键阻碍之一。

        β-Ga₂O₃ 并非要全面取代 SiC 或者 GaN，而是在击穿场优势起决定性作用的超高压应用领域形成互补。想要释放该材料潜力，需要在热封装、可靠性工程、晶圆级制造、电热系统集成方面同步取得技术进步。

        展望未来，接下来的三到五年将是关键时期。短期目标：4 英寸及以上晶圆的蚀坑密度 EPD 降至 10³ cm⁻² 以下；完成结侧冷却的肖特基二极管、MOSFET 半桥模块验证，获得热降额数据；发布建立寿命模型的完整可靠性数据集。中期目标：实现电学性能均匀的 6 英寸衬底量产；沟槽 MOSFET 在额定应力下栅氧化层寿命预期超过 10 年。长期目标：完成高压直流、固态变压器场景的全系统认证；量产条件下衬底成本降至同规格 SiC 的约三分之一。上述里程碑并不能保证全部达成，但全部属于可以解决的工程问题，而不是基础科学障碍。这一点比单纯的性能指标更能说明 β-Ga₂O₃ 值得学界与产业界持续投入。

        本研究得到中国台湾地区教育部高等教育深耕计划特色领域研究中心项目 “先进半导体技术研究中心” 资助；部分工作得到台湾国家科学及技术委员会项目（114-2923-E-A49-008MY3）、德国科学基金会（DFG）项目（PO-2659/1-2）以及欧洲区域发展基金（EFRE，项目编号 1.8/15）资助。

图 1 β-Ga₂O₃ 主流外延生长技术对比图，包含 (a) 分子束外延 MBE、(b) 金属有机气相外延 MOVPE、(c) 卤化物气相外延 HVPE、(d) 雾相化学气相沉积 Mist-CVD

DOI：

10.1109/MED.2026.3707419