第四代半导体，初露锋芒

今年，镓、锗相关物出口管制触发多股涨停，第四代半导体发展初露锋芒。

公开资料显示，镓和锗都是新兴的战略关键矿产，均已被列入国家战略性矿产名录中。两种 金属矿产无论是在储量还是在出口上，中国均在全球占据领先地位。2022 年我国镓产品的出口数量大幅增长。海关总署数据表明，2022 年 1 至 11 月，我国累计出口镓产品 89.35 吨，比 2021 年 同期增加 44.1%。

日前，新能源汽车需求的旺盛带动了国产第三代半导体的发展。眼下，碳化硅功率器件正面 临供不应求的境况。瞅准未来两三年短缺的“窗口期”，国内碳化硅（SiC）产业驶入了发展快车 道。而同作为第三代半导体的氮化镓（GaN）因其禁带宽度达到 3.4eV，更宽的禁带宽度、更高 的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更优的抗辐照能力，使得其在功率器件、射 频器件、光电器件领域有望超过碳化硅实现更优性能。

美国军方甚至依靠氮化镓的特性来有效传输开发中的最先进雷达的功率。氮化镓还被用于 RTX 正在制造的爱国者(Patriot)导弹防御系统的替代品。

在第三代半导体发展方兴未艾之际，第四代半导体材料的研制也获得了突破性进展。

 01第四代半导体之争

第四代半导体，这一概念虽尚未被大众所 熟知，但却已在学术界和产业界引起了广泛的关 注和热议。与前三代半导体相比，第四代半导体不仅在材料种类上实现突破，更在性能上实现质的飞跃，以独特的物理和化学性质，为解决当前半导体技术面临的诸多挑战提供全新的思路和解决方案。 

8月12日，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。 

除了美国，日本经济产业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。 

中国科学院院士郝跃曾表示，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 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。 

它到底有怎样的发展前景呢？ 

 02第四代半导体的核心优势

第四代半导体包括超宽禁带半导体和超窄禁带半导体，前者包括氧化镓、金刚石、氮化铝，后者如锑化镓、锑化铟等。从一定时期内的技术发展成熟度来看，氧化镓（ Ga2O3 ）是最可能在未来几年内，实现从实验室到工厂的第四代半导体材料。我国部分产业机构认为，作为第四代半导体材料中最可能快速解决产业化技术瓶颈的氧化镓，有望在未来10年内完全替代碳化硅和氮化镓市场，并成为我们在芯片半导体领域的优势。 

对比碳化硅、氮化镓和氧化镓的理论物理性能，能够发现，氧化镓与第三代半导体不再是“相对优势”的互补关系，而是有望凭借“超宽带隙（4.2-4.9eV）”、“超高临界击穿场强（8MV/cm）”和“超强透明导电性”等优势，在未来替代碳化硅和氮化镓。 

简单来说，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，且在同等规格下，宽禁带材料可以制造更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积。氧化镓比碳化硅和氮化镓的禁带宽度要大很多，在同等技术产业化技术成熟度的条件下，氧化镓器件更耐高压、耐高温、大功率、抗辐照、低成本。从成本角度来看，当前生产氧化镓的成本的60%来自于生产过程中所需的稀有金属铱坩埚。 

氧化镓vs.碳化硅——制取成本对比 来源：How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?

应用领域

第四代半导体以其独特的性能和广泛的应用前景，正逐步引领科技进步和产业发展。

• 电子与通信

在电子通信领域，第四代半导体以其卓越的性能和能效比优势，成为推动行业进步的重要力量。超宽禁带半导体(如金刚石和氧化镓)在高频通信、卫星通信等高速电子应用中独具优势。第四代半导体可显著提升电子器件的传输速度和信号处理能力，为构建更加高效、稳定的通信网络提供技术保障。同时，超窄禁带半导体如锑化物在光电探测和红外传感方面的应用，也为光通信、光纤传感等领域带来新的发展机遇。

• 新能源

新能源领域是第四代半导体应用的另一大重要方向。随着全球对可再生能源需求的不断增长，电力电子器件和能源存储系统的发展成为了关键。第四代半导体以其高能效比和耐高温特性，在电力电子转换器、智能电网、电动汽车等领域占有重要地位。第四代半导体可大幅度提升能源转换效率，降低能源损失，有望促成可再生能源的全面应用。此外，基于第四代半导体的新型太阳能电池和光电催化材料也在不断探索中，有望为太阳能利用和氢能生产等领域带来新的突破。

• 智能穿戴与柔性电子

随着物联网和可穿戴技术的快速发展，智能设备和柔性电子产品的市场需求日益增长。基于二维材料的柔性电子器件为智能手环、智能手表、可植入医疗设备等产品引入更加舒适、便捷的使用体验。同时，这些材料还具备优异的生物相容性和传感性能，为医疗监测、健康管理等领域的创新应用奠定了基础。

 03半导体材料国产化落地

我国科技部于2022年将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，如果说我国在第一二代半导体材料的发展上和世界领先水平存在这明显的差距，那第四代半导体材料“国产化”我们势在必得。 

今年2月，中国电科46所正式宣布，成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平，将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。 

另外西安邮电大学宣布在半导体材料领域取得了突破，成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片，这标志着在超宽禁带半导体研究上取得重要进展。 

10月30日，深圳平湖实验室发布在氧化镓理论研究方面取得重要进展：采用铑固溶方式理论成功开发出新型β相铑镓氧三元宽禁带半导体。 

据了解，这一成果主要针对解决氧化镓价带能级低和p-型掺杂困难等问题。此外，该成果“Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors”已在《Advanced Electronic Materials》期刊上发表并受邀提供期刊封面设计。该文章也被收录到《Progress and Frontiers in Ultrawide bandgap Semiconductors》专题。文章第一作者为查显弧博士，通讯作者为张道华院士，共同作者包括万玉喜主任和李爽副教授。 

企业方面，很多国内厂商也在第四代半导体上早早布局。例如华芯晶电。2021年在已有的磷化铟、碳化硅等第二代、第三代半导体化合物业务的基础上，华芯晶电启动了第四代半导体化合物氧化镓单晶衬底的研发。围绕高质量、低缺陷、高加工精度、高透过率等方面，华芯晶电进行了深入研究，在氧化镓晶体生长、晶体低密度缺陷控制、高效元素掺杂等方面进行了攻关，目前 2 英寸氧化镓晶体生长良率、低密度缺陷控制均达到国际水平。 

10月29日，杭州镓仁半导体有限公司宣布在氧化镓单晶生长技术方面取得了显著进展：成功利用自主研发的第二代铸造法技术生长出超厚6英寸氧化镓单晶，晶锭厚度可达20mm以上。据了解，在同等直径下单晶晶锭厚度达到国际领先，是导模法（EFG）晶锭厚度的2-3倍。同时，结合镓仁半导体的超薄衬底加工技术，单个晶锭出片量可以达到原有的3-4倍，单片成本较原来可降低70%以上。此外，提高氧化镓单晶晶锭厚度，更有利于制备各种晶向以及斜切角度的大尺寸衬底（6英寸4度斜切需要约12mm厚晶锭）满足下游不同外延和器件环节的特殊需求。 

10月29日，杭州富加镓业科技有限公司宣布，旗下氧化镓外延片完成MOSFET横向功率器件验证。 

据了解，富加镓业利用分子束外延技术（MBE）研制了高性能的氧化镓外延片产品，采用非故意掺杂层与Sn掺杂层复合的双层外延结构，衬底材料为半绝缘型（010）Fe掺杂氧化镓，主要应用于横向功率器件。常规产品掺杂层载流子浓 度为 1-4E17cm-3，迁移率＞80 cm2/V·s，表面粗糙度＜2 nm 。 

制备了击穿电压大于2000 V、电流密度为60 mA/mm的MOSFET横向功率器件，与进口同类型外延片制备器件性能相当。 

本文来自微信公众号 “半导体产业纵横”（ID：ICViews），作者：米乐，36氪经授权发布。