第四代半导体，破晓时刻

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　　全球首颗8英寸氧化镓单晶，中国造!

　　今年3月，杭州镓仁半导体有限公司发布全球首颗第四代半导体氧化镓8英寸单晶，刷新了氧化镓单晶尺寸的全球纪录。这一成果，也标志着中国氧化镓率先进入8英寸时代。

　　镓仁半导体成立于2022年9月，其创始人张辉来自于浙江大学，一直深耕晶体生长及半导体材料研究。该项目最早源自于浙江大学硅材料国家重点实验室。

　　这家公司，在氧化镓单晶的制备中，已取得颇多成绩。

　　2021年底，镓仁半导体成功制备1英寸氧化镓单晶衬底，此后基本上沿着一年一升级的路径。2022年5月其发布2英寸氧化镓衬底，2023年6月发布4英寸衬底，2024年3月发布6英寸衬底。

　　那么，8英寸氧化镓单晶的问世意味着什么?又有着怎样的含金量?问世之际，又会带来哪些惊喜?

　　在此之前要详解一下第四代半导体。

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　　第四代半导体，追逐焦点

　　目前，半导体材料已然发展到第四代。

　　第一代半导体材料主要是硅、锗;第二代半导体材料主要是砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP);第三代半导体材料主要是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN);第四代半导体材料主要是氧化镓、金刚石、氮化铝等超宽禁带半导体材料，以及锑化镓、锑化铟等超窄禁带半导体材料。

　　这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，且各代之间不存在完全取代问题，仅在部分场景实现对传统产品的替换。

　　关于各代半导体的优缺点及应用：

　　第一代半导体的优点是技术成熟度较高且具有成本优势，现下广泛应用在电子信息领域及新能源、硅光伏产业中。第一代半导体的缺点是由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。

　　第二代半导体的优点是相对硅基器件具有高频、高速的光电性能,被广泛应用于光电子和微电子领域,是制作发光二极管的关键衬底。主要应用在毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航。第二代半导体的缺点是不适用于高功率电路，并且GaAs和InP材料稀缺，价格昂贵。除此之外，研究称这类材料会污染环境，这些缺点使得第二代半导体材料的应用有很大的局限性。

　　因此，更适用于高功率电路领域的第三代半导体应运而生。

　　第三代半导体的优点是具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件，可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域。目前主要应用于射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。第三代半导体的缺点是成本较高、材料生长与制备困难。

　　值得注意的是，在如今的半导体市场，第三代半导体已然是名副其实的明星产品。

　　第四代半导体的优点是作为超宽禁带半导体材料的一种，氧化镓禁带宽度达到4.9eV，超过第三代半导体材料(宽禁带半导体材料)的碳化硅(3.2eV)和氮化镓(3.39eV)。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，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。

　　可用于制作透明导电薄膜，广泛应用于平板电视、电子防盗设备和玻璃幕墙等领域。此外，经过改性的氧化镓纳米材料还可用于制作磁存储器件，提高存储器的读取速度和降低噪声。

　　据悉，氧化镓的导通特性约为SiC的10倍，理论击穿场强约为SiC 的3倍多。可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。数据显示，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3。

　　从成本角度来看，相比第三代半导体材料，理论上氧化镓更有成本优势。据悉，从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看，基于氧化镓材料的器件成本为195美元，约为碳化硅材料器件成本的五分之一，与硅基产品的成本所差无几。此外，氧化镓的晶圆产线与硅、碳化硅、氮化镓的差别不大，转换成本不高。

　　第四代半导体的缺点是由于高熔点、高温分解以及易开裂等特性，大尺寸氧化镓单晶制备极为困难，且成本高等。

　　可以说，各代半导体材料的发展，是市场需求的驱动。梳理完四代半导体各自的特性以及优劣势后，让我们再次聚焦上文提出的问题。

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　　氧化镓“长大”，太难了!

　　上文提到，氧化镓单晶性能优越，可是到目前为止还没有真正实现产业化，问题就在于大尺寸氧化镓单晶的生长技术一直是全球半导体行业的难题。

　　研发团队成员、浙江大学杭州国际科创中心研究员金竹表示，氧化镓高熔点的特性也是它的软肋，面积越大，制备过程中开裂风险也呈指数级增加。

　　因此，让氧化镓一点点“长大”是难上加难。

　　此前，国际上该材料的制备能力只能达到6英寸。尺寸越小，就意味着成本更高，产业化的难度也越大。

　　此次8英寸氧化镓单晶问世，2寸之差极大降低了成本，具有更优秀的晶圆面积利用率，可以和目前硅基晶圆厂的8英寸生产线完全兼容，为氧化镓单晶走出实验室、大规模产业化奠定坚实基础。据介绍，8英寸氧化镓单晶能切割出的小芯片数量，约为4英寸的四倍。

　　业内人士指出，作为半导体产业的新成员，氧化镓单晶有望“点燃”万亿级产业新赛道。

　　中国对于氧化镓等第四代半导体材料的发展，十分重视。

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　　中国企业/机构，瞄准氧化镓

　　早在2000年左右，国内已经启动氧化镓晶体相关研究。

　　2021 年发改委将镓系宽禁带半导体材料列为“十四五”战略性电子材料重点专项。

　　2022 年科技部将氧化镓列入“十四五”重点研发计划。

　　此外，北京、广东、山西、山东、天津、上海等省市也出台地方政策支持氧化镓等第四代半导体发展。

　　业界看好第四代半导体前景，国内相关厂商、高校、科研机构等也频繁展开相关研究。相关高校科研机构包括：中电科46所、中电13所、西安电子科技大学、北京邮电大学、中科院上海光机所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、复旦大学、南京大学、山东大学、中国科技大学、厦门大学、郑州大学、香港科技大学等。

　　企业方面，近段时间，除了上文提到的镓仁半导体，包括铭镓半导体、富加镓业等公司氧化镓研究传出新进展。

　　2025年1月，铭镓半导体运用新工艺成功制备了4英吋(010)氧化镓晶坯，生长厚度达55mm，加工后可用尺寸为3英吋、厚度高达40毫米，为进一步扩大侧切晶体尺寸奠定基础。

　　2024年5月，富加镓业在氧化镓领域率先实现了导模法“一键长晶”技术。2024年12月，由山东大学陶绪堂教授、中国科学技术大学龙世兵教授及西安电子科技大学周弘教授组织的专家组对富加镓业“一键长晶”技术进行现场评估，一致认为富加镓业相关团队验证了氧化镓自动长晶模式的可行性与稳定性，自动长晶成品率超过90%。

　　在2025年3月，富加镓业宣布其自主研发的氧化镓MOCVD同质外延技术取得了突破性进展，成功在氧化镓单晶衬底上生长出厚度首次超过10微米的同质外延薄膜。

　　众所周知，在资本市场中，第三代半导体SiC产业链投融资持续火热，2024年总共有44家SiC相关的企业获得了融资。

　　如今，随着第四代半导体氧化镓的风头越来越盛，这一产业逐渐成为资本追逐的新风口。

　　比如：去年8月，镓仁半导体获得近亿元Pre-A 轮融资，本轮投资由九智资本领投，普华资本共同投资。今年1月，富加镓业宣布完成C轮融资，投资方包括中网投、中赢创投、仁智投资和杭州盛德。

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　　日本，暂时跑在前面

　　与第三代半导体SiC的应用分布类似，氧化镓的应用价值主要体现在衬底，而外延、器件环节占比相对较小。

　　从全球竞争格局来看，日本、美国和中国三国全球领先。其中，日本在衬底—外延—器件等方面的研发全球领先。

　　最具代表性的公司是日本的创业公司Novel Crystal Technology。2021年6月，NCT在全球首次成功量产了4英寸的氧化镓晶圆。2022年3月，其又使用氢化物气相外延的方法在6 英寸晶圆上成功外延沉积氧化镓。NCT表示，将积极推进在纯电动汽车上的功率半导体采用氧化镓芯片，以替换硅基/碳化硅基芯片，其目标是在2025年每年生产2万片100毫米(4英寸)晶圆。

　　美国也在十分看好氧化镓的市场前景，相比日本，美国在器件领域发展较早，各种创新的结构和工艺极大地推动了氧化镓器件的进步。

　　2022年8月，美国商务部产业安全局(BIS)对第四代半导体材料氧化镓和金刚石实施出口管制，认为氧化镓的耐高压特性在军事领域的应用对美国国家安全至关重要。

　　中国氧化镓衬底、外延技术总体与国外差距不大，能够实现材料小批量供应，但器件产业化相对落后。

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　　氧化镓，静等爆发

　　据日本市场调查公司富士经济预测，到2025年氧化镓功率器件市场规模将超过氮化镓，到2030年全球氧化镓功率器件市场将达到1542亿日元(约12.2亿美元)，达到碳化硅的36%，达到氮化镓的1.42倍。

　　这也意味着，氧化镓市场或许会在不远的未来彻底爆发。

　　未来，氧化镓的市场应用主要集中在光电探测器、功率和射频三个场景，其中功率器件应用广泛，市场空间很大。

　　短期来看，预计氧化镓功率器件将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域。

　　长期来看，氧化镓功率器件覆盖650伏/1200伏/1700伏/3300伏，预计2025～2030年将全面渗透车载和电气设备领域，未来也将在超高压的氧化镓专属市场发挥优势，如高压电源真空管等应用领域。

　　也有业界人士表示，氧化镓器件一旦量产，或将迅速抢占新能源汽车的车载逆变器、充电机等市场以及白色家电市场。

　　不过，尽管氧化镓优势众多，但其产业化依然面临诸多挑战。因此，在实现大规模量产之前，还需要研究机构与企业翻越重重障碍。