导读：

氧化镓：它既是备受关注的超宽禁带半导体材料，也具有丰富晶型与独特结构特征。

在电力电子与光电器件领域，材料性能边界很大程度上由禁带宽度、临界击穿场强、电子迁移率和热导率等基础参数决定。随着高耐压、低损耗和高功率密度需求不断提升，传统半导体逐渐逼近性能上限；即便是4H-SiC和GaN等宽禁带半导体，在迈向更高功率密度和更严苛工作条件时，也会显现出本征参数所决定的性能边界。

在这一背景下，以β-Ga2O3和金刚石为代表的超宽禁带半导体受到广泛关注。其中，β-Ga2O3凭借超宽禁带、高理论击穿场和可熔体法生长大尺寸单晶等优势，展现出面向下一代功率与深紫外光电器件的重要潜力。

那么，β-Ga2O3的优势究竟体现在哪些关键参数上？高击穿场之外，它又存在哪些物理短板？本期推文将从基础物理参数出发，系统解析β-Ga2O3的“性能身份证”。

氧化镓的性能“身份证”：关键物理参数一文读懂

从关键参数说起：

读懂 β-Ga₂O₃ 的材料潜力

评估一种半导体材料在功率电子领域的应用潜力，不能只看单一指标，而需要综合考量其能带结构、介电特性、载流子输运能力以及热输运性能等关键本征参数。

在氧化镓丰富的多晶型体系中，属于单斜晶系的β-Ga2O3是目前研究最为深入的晶相，也是唯一在常温常压下具有热力学稳定性的晶相。

更重要的是，β-Ga2O3可采用与硅类似的熔体法生长大尺寸体单晶。这一特点使其在衬底制备、晶圆放大和制造成本控制方面具有独特优势，也构成了其区别于SiC、GaN等宽禁带半导体的重要产业化潜力。

下表系统对比了β-Ga2O3与Si、GaAs、4H-SiC、GaN、金刚石等代表性半导体材料在室温下的关键物理参数。

表 1. β-Ga2O3与主要半导体材料室温关键物理参数对比[1]。

从表中可以看出，β-Ga2O3最突出的优势来自其超宽禁带和高理论临界击穿场。其击穿场强显著高于Si、GaAs、4H-SiC 和GaN，仅次于金刚石；同时，其 Baliga 优值也远高于传统半导体和典型宽禁带半导体，表明β-Ga2O3在高耐压、低导通损耗功率器件方面具有非常可观的理论潜力。

禁带宽度（Eg）：

影响耐高温与深紫外响应的关键参数

禁带宽度（Eg）是半导体材料中价带顶与导带底之间的能量差，代表电子从价带跃迁至导带、形成自由载流子所需跨越的最小能量。对于半导体器件而言，禁带宽度是衡量材料本征热稳定性、抗辐照能力以及光电吸收特性的基础参数之一。

在高温环境下，半导体内部会产生热激发载流子。若热激发载流子浓度过高，器件的关断漏电流将显著增加，甚至削弱其绝缘阻断能力。因此，禁带宽度越大，材料通常越能抑制高温下的本征激发，从而为器件在高温、高压条件下稳定工作提供更有利的材料基础。

(a) 基于混合密度泛函理论计算得到的β-Ga2O3能带结构。

(b) Ga2O3的能级示意图，展示了源自Ga 4s轨道的导带（CB）和源自O 2p轨道的价带（VB）[2]。

从这一角度看，β-Ga2O3具有突出的本征优势。室温下，β-Ga2O3的禁带宽度约为4.9 eV，远高于传统Si材料的1.1 eV，也明显高于4H-SiC 的3.3 eV和GaN的3.4 eV。根据半导体本征载流子浓度与禁带宽度之间的关系，禁带宽度增大将显著降低热激发产生的载流子浓度。这意味着，即使在较高温度下，β-Ga2O3仍有望维持较低的本征载流子浓度和较低的关断漏电流，为高温、高压功率器件应用提供重要支撑。

此外，约4.9 eV的禁带宽度对应的吸收截止波长约为250 nm，正好位于深紫外波段。这使得β-Ga2O3对可见光基本不响应，而能够对日盲紫外波段产生有效吸收。因此，除了功率电子应用外，β-Ga2O3也被认为是制备日盲深紫外探测器的重要候选材料。

相对介电常数（εr）：

影响电场调控与器件电容的重要参数

相对介电常数（εr）反映材料在外加电场作用下的极化响应能力，即材料内部束缚电荷对外电场产生响应，并在一定程度上削弱局部电场的能力。对于功率半导体器件而言，介电常数是影响器件电场分布、耗尽区电容以及开关动态特性的重要参数。

一方面，较高的介电常数通常会带来更大的结电容和寄生电容，从而增加高频开关过程中的充放电损耗；另一方面，介电常数也会影响器件终端结构中的电场分布，对缓解边缘电场集中、提升耐压设计裕度具有一定作用。因此，介电常数并非越大越好，也并非越小越优，而需要结合器件结构、工作频率和耐压需求综合考虑。

β-Ga2O3的相对介电常数（相对介电常数定义为材料介电常数与真空介电常数的比值）约为10，这一数值与4H-SiC接近，低于Si和GaAs，高于金刚石。整体来看，β-Ga2O3的介电常数处于较为适中的范围，既有利于高压器件中的电场调控，也不会像高介电常数材料那样显著增加器件电容负担。对于氧化镓功率器件而言，这一参数为其高耐压结构设计提供了较为有利的材料基础。

(a) 采用场限环终端结构的β-Ga2O3功率器件截面示意图；

(b) 处于高压阻断状态下的内部二维电场分布仿真图。

材料的相对介电常数等本征参数，直接决定了终端区域电场平滑展宽的能力与电场拥挤效应的缓解程度[3]。

临界击穿场强（Eb）：

决定耐压与器件缩放潜力的核心参数

临界击穿场强（Eb）是指半导体材料在发生雪崩击穿之前所能承受的最大电场强度。对于功率器件而言，它是评估材料耐压能力和器件尺寸缩放潜力的关键参数。一般来说，临界击穿场强越高，材料在承受相同阻断电压时所需的漂移层厚度越小，器件也更有可能在高耐压条件下实现更低的导通电阻。

β-Ga2O3的禁带宽度约为4.9 eV，较大的带隙提高了载流子发生碰撞电离所需的能量阈值，使材料能够承受更高的内部电场而不易发生雪崩击穿。因此，β-Ga2O3的理论临界击穿场强可达约8 MV/cm，明显高于Si的0.3 MV/cm、GaAs的0.4 MV/cm，也显著高于4H-SiC的2.5 MV/cm 和GaN的3.3 MV/cm。

对于高压功率器件而言，β-Ga2O3的高临界击穿场强是其最具竞争力的核心优势之一。约8 MV/cm的理论击穿场强意味着，在相同耐压等级下，β-Ga2O3器件可以采用远薄于Si、SiC和GaN 的漂移层设计，从而显著缩短载流子输运路径，降低漂移区电阻，并压缩器件尺寸。由于漂移区电阻通常是高压单极型功率器件导通损耗的主要来源之一，β-Ga2O3因此有望在高耐压与低导通损耗之间实现更优平衡。这也是氧化镓被认为有望突破传统宽禁带半导体性能边界、面向下一代高压功率器件的重要原因。

半导体临界击穿场强（Eb）与禁带宽度（Eg）的强正相关性分布[4]。

不过需要指出的是，材料的高理论击穿场并不等同于器件一定能够达到相同水平的实际击穿性能。实际器件的耐压能力还会受到缺陷密度、边缘终端设计、界面态、电场集中以及热管理等因素影响。因此，β-Ga2O3的高击穿场为高压功率器件提供了优越的材料基础，但要真正转化为器件优势，仍需要外延质量、结构设计和工艺可靠性的协同优化。

电子迁移率（μ）与 Baliga FOM：

衡量导通损耗潜力的关键指标

电子迁移率（μ）定义为在外加单位电场作用下，导带电子在晶格中发生定向漂移的平均速度，它直接反映载流子的输运效率，是影响器件导通电阻和开关响应速度的重要物理参数之一。一般而言，电子迁移率越高，载流子在材料中的运动越容易，器件导通损耗也越有可能降低。

然而，对于高压单极型功率器件而言，仅凭电子迁移率并不能全面判断材料的导通损耗极限。相比单独比较电子迁移率，Baliga FOM 将载流子输运能力、电场承受能力和耗尽区调控能力统一纳入评价，因此更能反映材料在高压单极型功率器件中的理论低损耗潜力。

Baliga 功率器件优值并不是简单地把几个材料参数相乘，而是来源于高压单极型功率器件中“耐压能力”与“导通电阻”之间的基本矛盾。对于理想单极型器件而言，主要导通电阻来自漂移区；而漂移区既要足够厚、掺杂浓度足够低，以承受高电压，又要尽可能薄、掺杂浓度尽可能高，以降低导通电阻。在理想一维近似下，器件的理论比导通电阻与耐压的平方成正比，与相对介电常数、电子迁移率以及临界击穿场强的三次方成反比，即BFOM ∝εr·μ·Eb3。

从单项参数来看，氧化镓在电子迁移率上存在着无法回避的本征劣势。受制于导带底强烈的极化光学声子散射机制，其室温迁移率仅为250 cm2/V·s，远不及GaAs的8000 cm2/V·s，也大幅落后于4H-SiC的1000 cm2/V·s。然而，奇妙之处在于各个参数的权重分布，在评估综合损耗的Baliga FOM公式中，击穿场强Eb占据了三次方的绝对统治地位。高达8 MV/cm的击穿场强经过立方放大后，彻底逆转了氧化镓迁移率低下的劣势。如果以硅的优值设定为1作为基准，4H-SiC的优值为340，GaN的优值为870，而β-Ga2O3的优值则达到了惊人的2870。该数据证明，尽管载流子跑得不够快，但氧化镓在同等耐压规格下，有望凭借更薄的漂移层设计将器件的理论极限导通损耗压缩至第三代半导体的数分之一，展现出了极具优势的节能降耗潜力。

不同半导体的比导通电阻与击穿电压关系图[5]。

热导率（λ）：

微观声子散射机制与热管理考量

热导率（λ）表征了材料内部传递热量的能力。在半导体中，热量主要通过晶格振动，也就是声子传输。对于大功率器件而言，热导率直接关系到器件在连续工作时能否及时散发焦耳热，是评估器件热稳定性和可靠性的重要参数。

从表 1 可以看出，β-Ga2O3在击穿场强和理论低损耗潜力方面表现突出，但其热输运能力并不占优。由于β-Ga2O3具有低对称性的单斜晶格结构，单胞内原子数较多，晶格振动模式较为复杂，声子散射相对强烈，因此其室温热导率较低，约为 30 W/m·K。相比之下，4H-SiC 的热导率约为 370 W/m·K，Si 约为150 W/m·K，金刚石更可高达约2000 W/m·K。由此可见，热导率偏低是β-Ga2O3在功率器件应用中必须正视的本征短板。

在实际高压、大电流或高频工作条件下，较低的热导率容易导致器件内部热量积累，引发自热效应。温度升高不仅会影响电子迁移率和导通电阻，还可能加速缺陷演化、界面退化和可靠性下降。因此，热管理往往被认为是限制β-Ga2O3功率器件进一步提升功率密度和长期稳定性的关键问题之一。

典型半导体材料的室温热导率[6]。

不过，低热导率并不意味着氧化镓失去应用价值。相反，它促使研究者在器件结构和封装层面寻找解决方案。例如，通过衬底减薄、器件层转移、异质集成、背面散热结构以及与高热导率材料键合等方式，可以缩短热传输路径，增强器件的散热能力。其中，将β-Ga2O3活性层与金刚石、SiC 等高热导率衬底结合，被认为是缓解自热效应的重要工程路线。

因此，β-Ga2O3的热导率短板并不是一个可以忽略的问题，而是其从材料优势走向器件应用过程中必须重点解决的技术挑战。未来氧化镓功率器件能否充分发挥高击穿场、低理论导通损耗的潜力，很大程度上取决于外延质量、器件结构设计与先进热管理技术的协同优化。

本期总结

仔细研读氧化镓（β-Ga2O3）的这份参数图谱，我们可以得出一个清晰的物理结论：氧化镓并非各方面均衡发展的完美材料，而是一位个性鲜明的“偏科天才”。高达4.9 eV的禁带宽度与约8 MV/cm 的理论击穿场强，赋予了它极为突出的耐压基础；而高至2870的Baliga FOM，则为其突破现有功率器件损耗极限提供了广阔的理论空间。

尽管复杂的微观晶体结构使其在电子迁移率与热导率方面并非尽善尽美，但超高击穿场强赋予了器件更大的设计自由度。依托极薄漂移层设计、衬底减薄、异质集成以及金刚石等高导热材料辅助散热技术，业界正在尝试从工程层面缓解这些本征参数带来的挑战。

随着材料生长、缺陷控制、器件结构和热管理技术的持续进步，氧化镓有望在下一代超宽禁带半导体器件中释放出更加令人瞩目的应用潜力。

参考文献：

[1] Chabak K D, Leedy K D, Green A J, et al. Lateral β-Ga2O3 field effect transistors[J]. Semiconductor Science and Technology, 2020, 35(1): 013002.

[2] Xu W, Chen Y, Zhou X, et al. Recent advancement and perspective of epitaxial growth and doping of β-Ga2O3 thin films for power electronics[J]. APL Materials, 2025, 13(10).

[3] Lu X, Deng Y, Pei Y, et al. Recent advances in NiO/Ga2O3 heterojunctions for power electronics[J]. Journal of Semiconductors, 2023, 44(6): 061802.

[4] Higashiwaki M, Sasaki K, Kuramata A, et al. Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates[J]. Applied Physics Letters, 2012, 100(1).

[5] Pearton S J, Aitkaliyeva A, Xian M, et al. Radiation damage in wide and ultra-wide bandgap semiconductors[J]. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2021, 10(5): 055008.

[6] Cheng Z, Shi J, Yuan C, et al. Thermal science and engineering of β-Ga2O3 materials and devices[M]//Semiconductors and Semimetals. Elsevier, 2021, 107: 77-99.

信息来源：镓和半导体

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