国产替代的机会！强势崛起的第四代半导体

　　随着 2018 年特斯拉采用碳化硅（SiC）、2020 年小米在快充上使用氮化镓开始，第三代半导体经过三四十年的发展终于获得市场认可迎来发展机遇。此后，第三代半导体在新能源车、消费电子等领域快速发展开来，并逐渐从热门场景向更多拓展场景探索。

　　而在第三代半导体发展得如火如荼之际，氧化镓、氮化铝、金刚石等第四代半导体材料也开始受到关注，金刚石更因拥有耐高压、大射频、低成本、耐高温等特性，被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，而被称作 终极半导体 。

　　但其中氮化铝（AlN）和金刚石仍面临大量科学问题亟待解决，氧化镓则成为继第三代半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）之后最具市场潜力的材料，很有可能在未来 10 年左右称霸市场。

　　氧化镓 ( Ga2O3 ）是一种新型超宽禁带半导体材料，是被国际普遍关注并认可已开启产业化的第四代半导体材料。与碳化硅、氮化镓相比，氧化镓基功率器件具备高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特点。此前被用于光电领域的应用，直到 2012 年开始，业内对它更大的期待是用于功率器件，全球 80% 的研究单位都在朝着该方向发展。

　　当前，半导体材料可以分为四代，第一、二、三、四代半导体材料各有利弊，在特定的应用场景中存在各自的比较优势，但不可否认的是，中国在第一、二代半导体的发展中，无论是在宏观层面的市场份额、企业占位还是在微观层面的制备工艺、器件制造等方面，中国与世界领先水平之间都存在着明显的差距。

　　而在第四代半导体领域，我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，产业化进程刚刚起步，但是进展飞速，我国科技部于 2022 年将氧化镓列入 十四五重点研发计划 ，让第四代半导体获得更广泛关注。

　　随着量子信息、人工智能等高新技术的发展，半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。虽然前三代半导体技术持续发展，但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。

　　此背景下，人们将目光开始转向拥有小体积、低功耗等优势的第四代半导体。第四代半导体具有优异的物理化学特性、良好的导电性以及发光性能，在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。富士经济预测 2030 年氧化镓功率元件的市场规模将会达到 1,542 亿日元（约人民币 92.76 亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1,085 亿日元，约人民币 65.1 亿元）还要大。

　　氧化镓的结晶形态截至目前已确认有 α、β、γ、δ、ε 五种。其中，β 相最稳定。β -Ga2O3 的禁带宽度为 4.8～4.9 eV，击穿场强高达 8 MV/cm。

　　巴利加优质是低损失性能指标，β -Ga2O3 的巴利加优质高达 3400，大约是 SiC 的 10 倍、GaN 的 4 倍。因此，在制造相同耐压的单极功率器件时，元件的导通电阻比 SiC、GaN 低得多，极大降低器件的导通损耗。

　　中国科学院院士郝跃曾指出，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来的 10 年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。但氧化镓目前的研发进度还不够快，仍需不懈努力。

　　日本在氧化镓研究上是最前沿的。2012 年日本报道了第一颗氧化镓功率器件，2015 年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016 年推出了同质外延片，此后，基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现。

　　而我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，产业化进程刚刚起步阶段。去年底，美国旧金山召开的第 68 届国际电子器件大会（IEEE IEDM）上，中国科大国家示范性微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓器件的研究论文（高功率氧化镓肖特基二极管和氧化镓光电探测器）被大会接收。

　　龙世兵课题组基于氧化镓异质 PN 结的前期研究基础，将异质结终端扩展结构成功应用于氧化镓肖特基二极管。该研究通过合理设计优化 JTE 区域的电荷浓度，确保不影响二极管正向特性的同时最大化削弱肖特基边缘电场，从而有效提高器件的耐压能力。

　　而在中国科技部将氧化镓列入 十四五重点研发计划 之前，浙大杭州科创中心就在 2022 年 5 月宣布采用新技术路线 mm）的氧化镓晶圆，而使用这种具有完全自主知识产权技术生长的 2 英寸氧化镓晶圆在国际上为首次。雷火竞技

　　在产业化落地方面，氧化镓材料以中电科四十六所、山东大学、深圳进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等单位为主力。

　　值得注意的是，进化半导体方面表示，正在开发 6 英寸的氧化镓材料，今年应该可以实现 2 英寸材料的小批量供应。而北京铭镓半导体有限公司（简称 铭镓半导体 ）使用导模法成功制备了高质量 4 英寸（001）主面氧化镓（β -Ga2O3）单晶，完成了 4 英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，并且进行了多次重复性实验，成为国内首个掌握第四代半导体氧化镓材料 4 英寸（001）相单晶衬底生长技术的产业化公司。

　　新湖中宝参股公司富加镓业专注于宽禁带半导体氧化镓材料的研发，已经初步建立了氧化镓单晶材料设计、热场模拟仿真、单晶生长、晶圆加工等全链路研发能力，推出 2 寸及以下规格的氧化镓 UID（非故意掺杂）、导电型及绝缘型产品。

　　蓝晓科技为氧化铝企业提供拜耳母液提镓技术和运营服务，客户使用公司吸附分离技术所提取镓产品通常为 4N（纯度 99.99％以上，杂质总含量小于 100ppm），销售给下游精镓企业。中国西南电子公司西电电力持股陕西半导体先导技术中心，该中心有进行氧化镓、金刚石半导体、石墨烯、AIN 等化合物半导体、化合物集成电路等创新性科研成果的转化。

　　值得一提的是在第四代半导体冒头的当下，我国第三代半导体已经进入收获期。以第三代半导体龙头三安光电为例，旗下湖南三安车规级和工业级 SiC 功率半导体在 2022 年出货突破 1 亿颗，新进订单及长期供应协议累计金额超 65 亿，其 SiC 产品已实现在汽车、工业、光伏等多个领域应用。

　　而湖南三安的二期扩产工程正在建设当中，预计今年底完成，全面达产后将实现年产 50 万片 6 英寸 SiC 晶圆。不仅如此，湖南三安与理想汽车合资打造斯科半导体，将进行碳化硅功率模块的共同开发，预计将年产 240 万只 SiC 半桥功率模块。

　　随着产能的释放，我国企业有望在第三代半导体材料领域获得一定话语权，并为第四代半导体材料的研发和落地提供经验和基础。雷火竞技

　　从第三代半导体开始，我国在半导体新材料上的布局和进展就相当迅速，但市场话语权的争斗始终是残酷的。

　　2022 年 8 月，美国商务部工业和安全局（BIS）发布公告，称出于国家安全考虑，将四项 新兴和基础技术 纳入新的出口管制。这四项技术分别是：能承受高温高电压的第四代半导体材料氧化镓和金刚石；专门用于 3nm 及以下芯片设计的 ECAD 软件；可用于火箭和高超音速系统的压力增益燃烧技术。

　　尽管 BIS 并没有直接提到中国，但中国现在属于被美国列为国家安全管控的国家之一，只要技术和物项被美国政府列入出口管制目录，大概率就会对中国的出口设置限制，比如美国企业对华出口需要许可证等，这实际上会造成中美在半导体领域里进一步脱钩。

　　而除美国方面小动作不断外，日本同样也看好第四代半导体材料，并投入巨大资源支持本国相关企业发展。日本经济产业省很早就为致力于开发新一代低能耗半导体材料 氧化镓 的私营企业和大学提供财政支持，其在 2021 年留出大约 2030 万美元的扶持资金，并预计未来 5 年的投资额将超过 8560 万美元。

　　日本经济产业省认为，日本公司将能够在本世纪 20 年代末开始为数据中心、家用电器和汽车供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少 1440 万吨二氧化碳的排放。

　　2011 年，京都大学投资成立了公司 FLOSFIA。在 2015 年，NICT 和田村制作所合作投资成立了氧化镓产业化企业 Novel Crystal Technology，简称 NCT。现在，两家公司都是日本氧化镓研发的中坚企业，必须强调的是，这也是世界上仅有的两家能够量产 GaO 材料及器件的企业，整个业界已经呈现出 All Japan 的景象。

　　面对外部竞争的压力，我国企业想要在第四代半导体行业获得足够的话语权并不容易，第四代半导体材料核心难点本身在材料制备，材料端的突破将获得极大的市场价值，这也是我们的突破点。

　　借用进化半导体公司 CEO 许照原的线 年时间发展，氧化镓则仅用了 10 年，踩着碳化硅脚印前进的氧化镓很有可能有类似的发展行径：先在市场门槛较低的快充和工业电源领域落地，后在汽车领域爆发。氧化镓在十年内已取得重大进展，眼看离产业只差一步之遥，但针对材料制备和相关性质研究仍然不够系统和深入，若想统治未来，掌握现在这十年将是关键！