在半导体材料的前沿领域，超宽带隙材料因其卓越的本征击穿电场特性，成为高功率器件领域的焦点。氧化镓（Ga₂O₃）作为其中的代表性材料，不仅具备实现小体积、低能耗功率开关器件的潜力，还能用于制造对日光盲区紫外光敏感的探测器。不过，这一切应用的基础，都离不开高质量氧化镓晶体的生长技术——这种室温下以稳定β相存在的晶体，因其可与氧化铝合金化以调节带隙的特性，成为当前研究的核心。

β相氧化镓晶体结构（图片来源：爱集微）

氧化镓体单晶的生长主要依赖熔体法技术，其中提拉法和导模法是最常用的两种手段。这两种方法均需将氧化镓置于超过1800℃的铱坩埚中熔融，通过籽晶引导晶体生长，但在具体实现路径上各有侧重。

提拉法也叫直拉法，原理类似于硅单晶的生产，通过缓慢提拉籽晶棒，使熔融的氧化镓在籽晶上逐渐凝固形成圆柱形晶锭。德国莱布尼茨晶体生长研究所是该技术的先驱，其研发的提拉法已能生长出直径达5厘米、长度6-8厘米的晶体。然而，当向熔体中添加硅、锆等掺杂元素以诱导导电性时，自由载流子对红外辐射的吸收会导致熔体-晶体界面温度梯度失衡，可能形成螺旋状生长缺陷。为解决这一问题，研究人员尝试通过铝合金化提高晶体稳定性，尽管这会使工艺复杂度增加，但能有效改善晶体生长的均匀性。

提拉法生长氧化镓示意图（图片来源：Fundamental Research）

导模法则借助铱毛细管的毛细效应，将熔融材料 “拉升” 成特定形状。美国NCT公司凭借这一技术实现了掺锡氧化镓衬底的商业化生产，其优势在于其优势在于能直接生长出提拉法难以实现的特定形状，并自然地获得该形状下所需的特定晶向晶体，这对特定光学器件的设计至关重要。不过，导模法生长的晶体易形成孪晶缺陷，且薄片形态导致单晶体体积较小，在大规模生产圆柱形单晶方面不及提拉法。

6英寸氧化镓晶体（图片来源：NCT）

在导模法领域，国内机构如中电科46所已通过自主研发实现6英寸单晶生长。浙江大学团队则另辟蹊径，采用垂直布里奇曼法成功生长出2英寸氧化镓单晶晶锭，并进一步加工制备出3英寸晶圆级氧化镓单晶衬底，达到国际领先水平。其独创的非铱坩埚技术大幅降低了成本，且生长的6英寸晶锭厚度超过导模法2-3倍，结合超薄加工技术后单片成本可降低70% 以上。杭州镓仁半导体更在2025年宣布采用铸造法工艺突破8英寸单晶生长，通过优化温度梯度与籽晶技术，将铱用量减少80%，成为全球首个实现8英寸氧化镓量产的企业。

氧化镓籽晶（图片来源：镓仁半导体）

纯度与掺杂是决定氧化镓性能的关键因素。即使是未刻意掺杂的晶体，也可能因铱坩埚或前驱粉末中的杂质引入 “非故意掺杂”，这些杂质会显著影响材料的电学行为。例如，硅、锗等元素的引入可形成N型半导体，通过电子传导实现导电；而铁、镁等掺杂剂则能抑制导电，赋予材料绝缘特性。

然而，P型掺杂始终是困扰研究者的难题。类似氧化锌的困境，氧化镓中难以通过常规掺杂实现空穴传导。尽管退火实验中观察到边缘性的P型导电迹象，但在体单晶中尚未成功。这一瓶颈若无法突破，可能限制氧化镓在互补型器件中的应用。值得关注的是，华盛顿州立大学团队发现了铜掺杂氧化镓的 “光变暗” 效应：紫外光照射后，样品会变暗并保持数周，加热后又可恢复原状。这一独特现象为光学存储、光响应器件等领域提供了新的研究方向。

复旦大学研究团队采用固-固相变原位掺杂技术，同时实现了高掺杂浓度、高晶体质量与能带工程，从而部分解决了氧化镓的P型掺杂困难问题，在国际上首次成功制备了蓝宝石衬底上的P型掺杂β相氧化镓薄膜为氧化镓光电器件的实用化奠定了基础。此外，清华大学团队系统研究了掺杂元素对晶体性能的影响，发现四价元素Si和Sn是有效的N型掺杂剂，而二价元素Mg、Co等可实现半绝缘特性。

然而，氧化镓晶体，尤其是作为高压功率芯片或紫外探测器的核心材料，在其生长成衬底或进行外延延伸的过程中，会不可避免地形成多种微观缺陷。这些缺陷就像晶体完美结构中的伤痕，直接影响着材料的性能。首先，在原子层面上会出现点缺陷，最常见的是氧空位，它虽然能提供导电所需的电子，但过多也会成为漏电的源头；还有镓空位以及无意混入的杂质原子，它们都可能像小陷阱一样困住电荷，让电子移动困难。其次，位错更为突出，特别是沿着特定晶向延伸的贯穿型位错，它们仿佛贯穿晶体的微型裂缝，密度可达每平方厘米上万个，会在器件表面暴露出来，成为电流不该走的“漏电通道”。另外，在一些晶面上容易产生滑移位错，形成原子层面的“台阶”或“沟槽”。再者，在更大尺度上存在面缺陷，比如外延原子层堆叠顺序出错的层错，或者晶体局部对称生长导致的结构错配，甚至多晶区之间的边界。所有这些缺陷——无论是个别原子的缺失与错位、成排原子的扭曲断裂，还是原子平面的错序堆积——都会带来麻烦：增加器件漏电流、降低承受高压的能力、影响散热效率、阻碍电流顺畅流动，并最终制约器件表现的稳定性和可靠性。除优化生长条件、精密控制材料配比和后处理工艺等方法外，以光学无损检测为主的AOI设备同样可以帮助生产机构发现缺陷，控制良率。清软微视（杭州）科技有限公司研发生产的Omega 9880无图形晶圆缺陷检测设备的光路系统正是高度集成了明场（含DIC）、暗场和光致发光等成像方式，能够清晰地成像此类化合物半导体衬底和外延的缺陷。光致发光通道的高效率激发和多通道采集技术使得晶格缺陷的成像更加清晰，细节更加丰富。此外，Omega 9880还提供全面的缺陷失效分析能力。其先进的软件功能和人工智能图像处理算法能够迅速且精准地识别与分类各类缺陷，为生产决策提供可靠的数据支持。

半导体材料性能雷达图（图片来源：IEEE）

过去十年间，氧化镓晶体生长技术已取得显著进展。IKZ的提拉法和NCT的导模法均能提供商用级衬底，支撑薄膜生长和器件制备。但产业化仍面临多重挑战：导电型晶体的生长效率需提升，P型掺杂难题亟待攻克，铱坩埚的成本瓶颈需通过材料创新突破。尽管挑战重重，氧化镓在高功率电力电子、深紫外探测等领域的前景依然令人期待。随着掺杂技术、生长工艺和表征手段的协同进步，这种超宽带隙材料有望在新能源、光电子等领域开辟新的应用场景，成为继硅、碳化硅之后的又一半导体产业支柱。正如科学界对其的展望：只要在关键技术上持续突破，氧化镓或将重新定义半导体材料的未来格局。