今年，鎵、鍺相關物出口管制觸發多股漲停，第四代半導體發展初露鋒芒。
公開資料顯示，鎵和鍺都是新興的戰略關鍵礦產，均已被列入國家戰略性礦產名錄中。兩種 金屬礦產無論是在儲量還是在出口上，中國均在全球佔據領先地位。2022 年我國鎵產品的出口數量大幅增長。海關總署資料表明，2022 年 1 至 11 月，我國累計出口鎵產品 89.35 噸，比 2021 年 同期增加 44.1%。
日前，新能源汽車需求的旺盛帶動了國產第三代半導體的發展。眼下，碳化矽功率器件正面 臨供不應求的境況。瞅準未來兩三年短缺的“視窗期”，國內碳化矽（SiC）產業駛入了發展快車 道。而同作為第三代半導體的氮化鎵（GaN）因其禁頻寬度達到 3.4eV，更寬的禁頻寬度、更高 的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更優的抗輻照能力，使得其在功率器件、射 頻器件、光電器件領域有望超過碳化矽實現更優效能。
美國軍方甚至依靠氮化鎵的特性來有效傳輸開發中的最先進雷達的功率。氮化鎵還被用於 RTX 正在製造的愛國者(Patriot)導彈防禦系統的替代品。
在第三代半導體發展方興未艾之際，第四代半導體材料的研製也獲得了突破性進展。
01第四代半導體之爭
第四代半導體，這一概念雖尚未被大眾所 熟知，但卻已在學術界和產業界引起了廣泛的關 注和熱議。與前三代半導體相比，第四代半導體不僅在材料種類上實現突破，更在效能上實現質的飛躍，以獨特的物理和化學性質，為解決當前半導體技術面臨的諸多挑戰提供全新的思路和解決方案。
8月12日，美國商務部工業和安全域性（BIS）釋出公告，稱出於國家安全考慮，將四項“新興和基礎技術”納入新的出口管制。這四項技術分別是：能承受高溫高電壓的第四代半導體材料氧化鎵和金剛石；專門用於3nm及以下晶片設計的ECAD軟體；可用於火箭和高超音速系統的壓力增益燃燒技術。
除了美國，日本經濟產業很早就為致力於開發新一代耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業和大學提供財政支援，其在2021年留出大約2030萬美元的扶持資金，並預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。日本經濟產業認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為資料中心、家用電器和汽車供應基於氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的矽材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。
中國科學院院士郝躍曾表示，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來 10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化矽器件競爭。
它到底有怎樣的發展前景呢？
02第四代半導體的核心優勢
第四代半導體包括超寬禁帶半導體和超窄禁帶半導體，前者包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁，後者如銻化鎵、銻化銦等。從一定時期內的技術發展成熟度來看，氧化鎵（Ga2O3）是最可能在未來幾年內，實現從實驗室到工廠的第四代半導體材料。我國部分產業機構認為，作為第四代半導體材料中最可能快速解決產業化技術瓶頸的氧化鎵，有望在未來10年內完全替代碳化矽和氮化鎵市場，併成為我們在晶片半導體領域的優勢。
對比碳化矽、氮化鎵和氧化鎵的理論物理效能，能夠發現，氧化鎵與第三代半導體不再是“相對優勢”的互補關係，而是有望憑藉“超寬頻隙（4.2-4.9eV）”、“超高臨界擊穿場強（8MV/cm）”和“超強透明導電性”等優勢，在未來替代碳化矽和氮化鎵。
簡單來說，更寬的禁頻寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，且在同等規格下，寬禁帶材料可以製造更小、功率密度更高的器件，節省配套散熱和晶圓面積。氧化鎵比碳化矽和氮化鎵的禁頻寬度要大很多，在同等技術產業化技術成熟度的條件下，氧化鎵器件更耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照、低成本。從成本角度來看，當前生產氧化鎵的成本的60%來自於生產過程中所需的稀有金屬銥坩堝。
氧化鎵vs.碳化矽——製取成本對比 來源：How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?
應用領域
第四代半導體以其獨特的效能和廣泛的應用前景，正逐步引領科技進步和產業發展。
• 電子與通訊
在電子通訊領域，第四代半導體以其卓越的效能和能效比優勢，成為推動行業進步的重要力量。超寬禁帶半導體(如金剛石和氧化鎵)在高頻通訊、衛星通訊等高速電子應用中獨具優勢。第四代半導體可顯著提升電子器件的傳輸速度和訊號處理能力，為構建更加高效、穩定的通訊網路提供技術保障。同時，超窄禁帶半導體如銻化物在光電探測和紅外感測方面的應用，也為光通訊、光纖感測等領域帶來新的發展機遇。
• 新能源
新能源領域是第四代半導體應用的另一大重要方向。隨著全球對可再生能源需求的不斷增長，電力電子器件和能源儲存系統的發展成為了關鍵。第四代半導體以其高能效比和耐高溫特性，在電力電子轉換器、智慧電網、電動汽車等領域佔有重要地位。第四代半導體可大幅度提升能源轉換效率，降源損失，有望促成可再生能源的全面應用。此外，基於第四代半導體的新型太陽能電池和光電催化材料也在不斷探索中，有望為太陽能利用和氫能生產等領域帶來新的突破。
• 智慧穿戴與柔性電子
隨著物聯網和可穿戴技術的快速發展，智慧裝置和柔性電子產品的市場需求日益增長。基於二維材料的柔性電子器件為智慧手環、智慧手錶、可植入醫療裝置等產品引入更加舒適、便捷的使用體驗。同時，這些材料還具備優異的生物相容性和感測效能，為醫療監測、健康管理等領域的創新應用奠定了基礎。
03半導體材料國產化落地
我國科技部於2022年將氧化鎵列入“十四五重點研發計劃”，如果說我國在第一二代半導體材料的發展上和世界領先水平存在這明顯的差距，那第四代半導體材料“國產化”我們勢在必得。
今年2月，中國電科46所正式宣佈，成功製備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平，將有力支撐我國氧化鎵材料實用化程序和相關產業發展。
另外西安郵電大學宣佈在半導體材料領域取得了突破，成功在8英寸矽片上製備出了高質量的氧化鎵外延片，這標誌著在超寬禁帶半導體研究上取得重要進展。
10月30日，深圳平湖實驗室釋出在氧化鎵理論研究方面取得重要進展：採用銠固溶方式理論成功開發出新型相銠鎵氧三元寬禁帶半導體。
據瞭解，這一成果主要針對解決氧化鎵價帶能級低和p-型摻雜困難等問題。此外，該成果“Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors”已在《Advanced Electronic Materials》期刊上發表並受邀提供期刊封面設計。該文章也被收錄到《Progress and Frontiers in Ultrawide bandgap Semiconductors》專題。文章第一作者為查顯弧博士，通訊作者為張道華院士，共同作者包括萬玉喜主任和李爽副教授。
企業方面，很多國內廠商也在第四代半導體上早早佈局。例如華芯晶電。2021年在已有的磷化銦、碳化矽等第二代、第三代半導體化合物業務的基礎上，華芯晶電啟動了第四代半導體化合物氧化鎵單晶襯底的研發。圍繞高質量、低缺陷、高加工精度、高透過率等方面，華芯晶電進行了深入研究，在氧化鎵晶體生長、晶體低密度缺陷控制、高效元素摻雜等方面進行了攻關，目前 2 英寸氧化鎵晶體生長良率、低密度缺陷控制均達到國際水平。
10月29日，杭州鎵仁半導體有限公司宣佈在氧化鎵單晶生長技術方面取得了顯著進展：成功利用自主研發的第二代鑄造法技術生長出超厚6英寸氧化鎵單晶，晶錠厚度可達20mm以上。據瞭解，在同等直徑下單晶晶錠厚度達到國際領先，是導模法（EFG）晶錠厚度的2-3倍。同時，結合鎵仁半導體的超薄襯底加工技術，單個晶錠出片量可以達到原有的3-4倍，單片成本較原來可降低70%以上。此外，提高氧化鎵單晶晶錠厚度，更有利於製備各種晶向以及斜切角度的大尺寸襯底（6英寸4度斜切需要約12mm厚晶錠）滿足下游不同外延和器件環節的特殊需求。
10月29日，杭州富加鎵業科技有限公司宣佈，旗下氧化鎵外延片完成MOSFET橫向功率器件驗證。
據瞭解，富加鎵業利用分子束外延技術（MBE）研製了高效能的氧化鎵外延片產品，採用非故意摻雜層與Sn摻雜層複合的雙層外延結構，襯底材料為半絕緣型（010）Fe摻雜氧化鎵，主要應用於橫向功率器件。常規產品摻雜層載流子濃度為1-4E17cm-3，遷移率＞80 cm2/V·s，表面粗糙度＜2 nm。
製備了擊穿電壓大於2000 V、電流密度為60 mA/mm的MOSFET橫向功率器件，與進口同類型外延片製備器件效能相當。
