第四代半導體，破曉時刻

3nm，是半導體市場的「熱搜關鍵詞」。

光刻機，是眾人爭搶的「香餑餑」。

第三代半導體，一出現(xiàn)就在資本市場掀起波瀾。

而現(xiàn)在，這類技術的突破，給半導體賽道開啟新一輪熱潮。

全球首顆 8 英寸氧化鎵單晶，中國造

今年 3 月，杭州鎵仁半導體有限公司發(fā)布全球首顆第四代半導體氧化鎵8英寸單晶，刷新了氧化鎵單晶尺寸的全球紀錄。這一成果，也標志著中國氧化鎵率先進入 8 英寸時代。

鎵仁半導體成立于 2022 年 9 月，其創(chuàng)始人張輝來自于浙江大學，一直深耕晶體生長及半導體材料研究。該項目最早源自于浙江大學硅材料國家重點實驗室。

這家公司，在氧化鎵單晶的制備中，已取得頗多成績。

2021 年底，鎵仁半導體成功制備 1 英寸氧化鎵單晶襯底，此后基本上沿著一年一升級的路徑。2022 年 5 月其發(fā)布 2 英寸氧化鎵襯底，2023 年 6 月發(fā)布 4 英寸襯底，2024 年 3 月發(fā)布 6 英寸襯底。

那么，8英寸氧化鎵單晶的問世意味著什么？又有著怎樣的含金量？問世之際，又會帶來哪些驚喜？

在此之前要詳解一下第四代半導體。

第四代半導體，追逐焦點

目前，半導體材料已然發(fā)展到第四代。

第一代半導體材料主要是硅、鍺；第二代半導體材料主要是砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）；第三代半導體材料主要是碳化硅（SiC)、氮化鎵（GaN)；第四代半導體材料主要是氧化鎵、金剛石、氮化鋁等超寬禁帶半導體材料，以及銻化鎵、銻化銦等超窄禁帶半導體材料。

這四代半導體材料各有利弊，在特定的應用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，且各代之間不存在完全取代問題，僅在部分場景實現(xiàn)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的替換。

關于各代半導體的優(yōu)缺點及應用：

第一代半導體的優(yōu)點是技術成熟度較高且具有成本優(yōu)勢，現(xiàn)下廣泛應用在電子信息領域及新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中。第一代半導體的缺點是由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，硅在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制。

第二代半導體的優(yōu)點是相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能, 被廣泛應用于光電子和微電子領域, 是制作發(fā)光二極管的關鍵襯底。主要應用在毫米波器件、發(fā)光器件、衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通訊、GPS 導航。第二代半導體的缺點是不適用于高功率電路，并且 GaAs 和 InP 材料稀缺，價格昂貴。除此之外，研究稱這類材料會污染環(huán)境，這些缺點使得第二代半導體材料的應用有很大的局限性。

因此，更適用于高功率電路領域的第三代半導體應運而生。

第三代半導體的優(yōu)點是具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件，可廣泛應用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領域。目前主要應用于射頻通信、雷達、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。第三代半導體的缺點是成本較高、材料生長與制備困難。

值得注意的是，在如今的半導體市場，第三代半導體已然是名副其實的明星產(chǎn)品。

第四代半導體的優(yōu)點是作為超寬禁帶半導體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達到4.9eV，超過第三代半導體材料（寬禁帶半導體材料）的碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV）。更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。

可用于制作透明導電薄膜，廣泛應用于平板電視、電子防盜設備和玻璃幕墻等領域。此外，經(jīng)過改性的氧化鎵納米材料還可用于制作磁存儲器件，提高存儲器的讀取速度和降低噪聲。

據(jù)悉，氧化鎵的導通特性約為SiC的10倍，理論擊穿場強約為SiC 的3倍多?？梢杂行Ы档托履茉雌?、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領域在能源方面的消耗。數(shù)據(jù)顯示，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3。

從成本角度來看，相比第三代半導體材料，理論上氧化鎵更有成本優(yōu)勢。據(jù)悉，從同樣基于 6 英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為 195 美元，約為碳化硅材料器件成本的五分之一，與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。此外，氧化鎵的晶圓產(chǎn)線與硅、碳化硅、氮化鎵的差別不大，轉(zhuǎn)換成本不高。

第四代半導體的缺點是由于高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難，且成本高等。

可以說，各代半導體材料的發(fā)展，是市場需求的驅(qū)動。梳理完四代半導體各自的特性以及優(yōu)劣勢后，讓我們再次聚焦上文提出的問題。

氧化鎵「長大」，太難了！

上文提到，氧化鎵單晶性能優(yōu)越，可是到目前為止還沒有真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，問題就在于大尺寸氧化鎵單晶的生長技術一直是全球半導體行業(yè)的難題。

研發(fā)團隊成員、浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心研究員金竹表示，氧化鎵高熔點的特性也是它的軟肋，面積越大，制備過程中開裂風險也呈指數(shù)級增加。

因此，讓氧化鎵一點點「長大」是難上加難。

此前，國際上該材料的制備能力只能達到6英寸。尺寸越小，就意味著成本更高，產(chǎn)業(yè)化的難度也越大。

此次8英寸氧化鎵單晶問世，2寸之差極大降低了成本，具有更優(yōu)秀的晶圓面積利用率，可以和目前硅基晶圓廠的8英寸生產(chǎn)線完全兼容，為氧化鎵單晶走出實驗室、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定堅實基礎。據(jù)介紹，8英寸氧化鎵單晶能切割出的小芯片數(shù)量，約為4英寸的四倍。

業(yè)內(nèi)人士指出，作為半導體產(chǎn)業(yè)的新成員，氧化鎵單晶有望「點燃」萬億級產(chǎn)業(yè)新賽道。

中國對于氧化鎵等第四代半導體材料的發(fā)展，十分重視。

中國企業(yè)/機構(gòu)，瞄準氧化鎵

早在 2000 年左右，國內(nèi)已經(jīng)啟動氧化鎵晶體相關研究。

2021 年發(fā)改委將鎵系寬禁帶半導體材料列為「十四五」戰(zhàn)略性電子材料重點專項。

2022 年科技部將氧化鎵列入「十四五」重點研發(fā)計劃。

此外，北京、廣東、山西、山東、天津、上海等省市也出臺地方政策支持氧化鎵等第四代半導體發(fā)展。

業(yè)界看好第四代半導體前景，國內(nèi)相關廠商、高校、科研機構(gòu)等也頻繁展開相關研究。相關高?？蒲袡C構(gòu)包括：中電科 46 所、中電 13 所、西安電子科技大學、北京郵電大學、中科院上海光機所、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、復旦大學、南京大學、山東大學、中國科技大學、廈門大學、鄭州大學、香港科技大學等。

企業(yè)方面，近段時間，除了上文提到的鎵仁半導體，包括銘鎵半導體、富加鎵業(yè)等公司氧化鎵研究傳出新進展。

2025 年 1 月，銘鎵半導體運用新工藝成功制備了 4 英吋（010）氧化鎵晶坯，生長厚度達 55mm，加工后可用尺寸為 3 英吋、厚度高達 40 毫米，為進一步擴大側(cè)切晶體尺寸奠定基礎。

2024 年 5 月，富加鎵業(yè)在氧化鎵領域率先實現(xiàn)了導模法「一鍵長晶」技術。2024 年 12 月，由山東大學陶緒堂教授、中國科學技術大學龍世兵教授及西安電子科技大學周弘教授組織的專家組對富加鎵業(yè)「一鍵長晶」技術進行現(xiàn)場評估，一致認為富加鎵業(yè)相關團隊驗證了氧化鎵自動長晶模式的可行性與穩(wěn)定性，自動長晶成品率超過 90%。

在 2025 年 3 月，富加鎵業(yè)宣布其自主研發(fā)的氧化鎵 MOCVD 同質(zhì)外延技術取得了突破性進展，成功在氧化鎵單晶襯底上生長出厚度首次超過 10 微米的同質(zhì)外延薄膜。

眾所周知，在資本市場中，第三代半導體 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈投融資持續(xù)火熱，2024 年總共有 44 家 SiC 相關的企業(yè)獲得了融資。

如今，隨著第四代半導體氧化鎵的風頭越來越盛，這一產(chǎn)業(yè)逐漸成為資本追逐的新風口。

比如：去年 8 月，鎵仁半導體獲得近億元 Pre-A 輪融資，本輪投資由九智資本領投，普華資本共同投資。今年 1 月，富加鎵業(yè)宣布完成 C 輪融資，投資方包括中網(wǎng)投、中贏創(chuàng)投、仁智投資和杭州盛德。

日本，暫時跑在前面

與第三代半導體 SiC 的應用分布類似，氧化鎵的應用價值主要體現(xiàn)在襯底，而外延、器件環(huán)節(jié)占比相對較小。

從全球競爭格局來看，日本、美國和中國三國全球領先。其中，日本在襯底—外延—器件等方面的研發(fā)全球領先。

最具代表性的公司是日本的創(chuàng)業(yè)公司 Novel Crystal Technology。2021 年 6 月，NCT 在全球首次成功量產(chǎn)了 4 英寸的氧化鎵晶圓。2022 年 3 月，其又使用氫化物氣相外延的方法在 6 英寸晶圓上成功外延沉積氧化鎵。NCT 表示，將積極推進在純電動汽車上的功率半導體采用氧化鎵芯片，以替換硅基/碳化硅基芯片，其目標是在 2025 年每年生產(chǎn) 2 萬片 100 毫米（4 英寸）晶圓。

美國也在十分看好氧化鎵的市場前景，相比日本，美國在器件領域發(fā)展較早，各種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝極大地推動了氧化鎵器件的進步。

2022 年 8 月，美國商務部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）對第四代半導體材料氧化鎵和金剛石實施出口管制，認為氧化鎵的耐高壓特性在軍事領域的應用對美國國家安全至關重要。

中國氧化鎵襯底、外延技術總體與國外差距不大，能夠?qū)崿F(xiàn)材料小批量供應，但器件產(chǎn)業(yè)化相對落后。

氧化鎵，靜等爆發(fā)

據(jù)日本市場調(diào)查公司富士經(jīng)濟預測，到 2025 年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將超過氮化鎵，到 2030 年全球氧化鎵功率器件市場將達到 1542 億日元（約 12.2 億美元），達到碳化硅的 36%，達到氮化鎵的 1.42 倍。

這也意味著，氧化鎵市場或許會在不遠的未來徹底爆發(fā)。

未來，氧化鎵的市場應用主要集中在光電探測器、功率和射頻三個場景，其中功率器件應用廣泛，市場空間很大。

短期來看，預計氧化鎵功率器件將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場率先出現(xiàn)，如消費電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領域。

長期來看，氧化鎵功率器件覆蓋 650 伏/1200 伏/1700 伏/3300 伏，預計 2025～2030 年將全面滲透車載和電氣設備領域，未來也將在超高壓的氧化鎵專屬市場發(fā)揮優(yōu)勢，如高壓電源真空管等應用領域。

也有業(yè)界人士表示，氧化鎵器件一旦量產(chǎn)，或?qū)⒀杆贀屨夹履茉雌嚨能囕d逆變器、充電機等市場以及白色家電市場。

不過，盡管氧化鎵優(yōu)勢眾多，但其產(chǎn)業(yè)化依然面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，在實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)之前，還需要研究機構(gòu)與企業(yè)翻越重重障礙。