國產替代的機會！強勢崛起的第四代半導體
氧化鎵VS碳化硅，誰是未來十年的主角？新一代半導體材料的崛起，讓我國半導體行業有了彎道超車的機會，而在帶著“終極半導體”光環的第四代半導體賽道上，國內企業進展究竟如何呢？
強勢崛起的第四代半導體
隨著2018年特斯拉采用碳化硅（SiC）、2020年小米在快充上使用氮化鎵開始，第三代半導體經過三四十年的發展終于獲得市場認可迎來發展機遇。此后，第三代半導體在新能源車、消費電子等領域快速發展開來，并逐漸從熱門場景向更多拓展場景探索。
而在第三代半導體發展得如火如荼之際，氧化鎵、氮化鋁、金剛石等第四代半導體材料也開始受到關注，金剛石更因擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等特性，被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，而被稱作“終極半導體”。
但其中氮化鋁（AlN）和金剛石仍面臨大量科學問題亟待解決，氧化鎵則成為繼第三代半導體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）之后最具市場潛力的材料，很有可能在未來10年左右稱霸市場。
氧化鎵 (Ga2O3 ）是一種新型超寬禁帶半導體材料，是被國際普遍關注并認可已開啟產業化的第四代半導體材料。與碳化硅、氮化鎵相比，氧化鎵基功率器件具備高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特點。此前被用于光電領域的應用，直到2012年開始，業內對它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究單位都在朝著該方向發展。
氧化鎵晶圓
當前，半導體材料可以分為四代，第一、二、三、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勢，但不可否認的是，中國在第一、二代半導體的發展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面，中國與世界領先水平之間都存在著明顯的差距。
而在第四代半導體領域，我國氧化鎵的研究則更集中于科研領域，產業化進程剛剛起步，但是進展飛速，我國科技部于2022年將氧化鎵列入“十四五重點研發計劃”，讓第四代半導體獲得更廣泛關注。
最具效率的半導體材料
隨著量子信息、人工智能等高新技術的發展，半導體新體系及其微電子等多功能器件技術也在更新迭代。雖然前三代半導體技術持續發展，但也已經逐漸呈現出無法滿足新需求的問題，特別是難以同時滿足高性能、低成本的要求。
此背景下，人們將目光開始轉向擁有小體積、低功耗等優勢的第四代半導體。第四代半導體具有優異的物理化學特性、良好的導電性以及發光性能，在功率半導體器件、紫外探測器、氣體傳感器以及光電子器件領域具有廣闊的應用前景。富士經濟預測2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大。
氧化鎵的結晶形態截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種。其中，β相最穩定。β-Ga2O3的禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強高達8 MV/cm。
巴利加優質是低損失性能指標，β-Ga2O3的巴利加優質高達3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時，元件的導通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低器件的導通損耗。
氧化鎵半導體特性
中國科學院院士郝躍曾指出，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的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，會直接與碳化硅器件競爭。但氧化鎵目前的研發進度還不夠快，仍需不懈努力。
進展迅速的科研領域
日本在氧化鎵研究上是最前沿的。2012年日本報道了第一顆氧化鎵功率器件，2015年推出了高質量氧化鎵單晶襯底、2016年推出了同質外延片，此后，基于氧化鎵材料的器件研究成果開始爆發式出現。
而我國氧化鎵的研究則更集中于科研領域，產業化進程剛剛起步階段。去年底，美國舊金山召開的第68屆國際電子器件大會（IEEE IEDM）上，中國科大國家示范性微電子學院龍世兵教授課題組兩篇關于氧化鎵器件的研究論文（高功率氧化鎵肖特基二極管和氧化鎵光電探測器）被大會接收。
龍世兵課題組基于氧化鎵異質PN結的前期研究基礎，將異質結終端擴展結構成功應用于氧化鎵肖特基二極管。該研究通過合理設計優化JTE區域的電荷濃度，確保不影響二極管正向特性的同時最大化削弱肖特基邊緣電場，從而有效提高器件的耐壓能力。
而在中國科技部將氧化鎵列入“十四五重點研發計劃”之前，浙大杭州科創中心就在2022年5月宣布采用新技術路線成功制備2英寸 (50.8 mm）的氧化鎵晶圓，而使用這種具有完全自主知識產權技術生長的2英寸氧化鎵晶圓在國際上為首次。
承載希望的本土第四代半導體企業
在產業化落地方面，氧化鎵材料以中電科四十六所、山東大學、深圳進化半導體、中科院上海光機所、北京鎵族科技、杭州富加鎵業等單位為主力。
值得注意的是，進化半導體方面表示，正在開發6英寸的氧化鎵材料，今年應該可以實現2英寸材料的小批量供應。而北京銘鎵半導體有限公司（簡稱“銘鎵半導體”）使用導模法成功制備了高質量 4 英寸（001）主面氧化鎵（β-Ga2O3）單晶，完成了 4 英寸氧化鎵晶圓襯底技術突破，并且進行了多次重復性實驗，成為國內首個掌握第四代半導體氧化鎵材料 4 英寸（001）相單晶襯底生長技術的產業化公司。
新湖中寶參股公司富加鎵業專注于寬禁帶半導體氧化鎵材料的研發，已經初步建立了氧化鎵單晶材料設計、熱場模擬仿真、單晶生長、晶圓加工等全鏈路研發能力，推出2寸及以下規格的氧化鎵UID（非故意摻雜）、導電型及絕緣型產品。
藍曉科技為氧化鋁企業提供拜耳母液提鎵技術和運營服務，客戶使用公司吸附分離技術所提取鎵產品通常為4N（純度99.99％以上，雜質總含量小于100ppm），銷售給下游精鎵企業。中國西南電子公司西電電力持股陜西半導體先導技術中心，該中心有進行氧化鎵、金剛石半導體、石墨烯、AIN等化合物半導體、化合物集成電路等創新性科研成果的轉化。
我國已經在第三代半導體領域取得一定成績
值得一提的是在第四代半導體冒頭的當下，我國第三代半導體已經進入收獲期。以第三代半導體龍頭三安光電為例，旗下湖南三安車規級和工業級SiC功率半導體在2022年出貨突破1億顆，新進訂單及長期供應協議累計金額超65億，其SiC產品已實現在汽車、工業、光伏等多個領域應用。
而湖南三安的二期擴產工程正在建設當中，預計今年底完成，全面達產后將實現年產50萬片6英寸SiC晶圓。不僅如此，湖南三安與理想汽車合資打造斯科半導體，將進行碳化硅功率模塊的共同開發，預計將年產240萬只SiC半橋功率模塊。
隨著產能的釋放，我國企業有望在第三代半導體材料領域獲得一定話語權，并為第四代半導體材料的研發和落地提供經驗和基礎。
崛起之路并非坦途
從第三代半導體開始，我國在半導體新材料上的布局和進展就相當迅速，但市場話語權的爭斗始終是殘酷的。
2022年8月，美國商務部工業和安全局（BIS）發布公告，稱出于國家安全考慮，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；專門用于3nm及以下芯片設計的ECAD軟件；可用于火箭和高超音速系統的壓力增益燃燒技術。
盡管BIS并沒有直接提到中國，但中國現在屬于被美國列為國家安全管控的國家之一，只要技術和物項被美國政府列入出口管制目錄，大概率就會對中國的出口設置限制，比如美國企業對華出口需要許可證等，這實際上會造成中美在半導體領域里進一步脫鉤。
第四代半導體全球競爭壓力不小
而除美國方面小動作不斷外，日本同樣也看好第四代半導體材料，并投入巨大資源支持本國相關企業發展。日本經濟產業省很早就為致力于開發新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業和大學提供財政支持，其在2021年留出大約2030萬美元的扶持資金，并預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。
日本經濟產業省認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為數據中心、家用電器和汽車供應基于氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。
2011年，京都大學投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產業化企業“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。現在，兩家公司都是日本氧化鎵研發的中堅企業，必須強調的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產GaO材料及器件的企業，整個業界已經呈現出“All Japan”的景象。
面對外部競爭的壓力，我國企業想要在第四代半導體行業獲得足夠的話語權并不容易，第四代半導體材料核心難點本身在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價值，這也是我們的突破點。
借用進化半導體公司CEO許照原的話來講，“碳化硅用了40年時間發展，氧化鎵則僅用了10年，踩著碳化硅腳印前進的氧化鎵很有可能有類似的發展行徑：先在市場門檻較低的快充和工業電源領域落地，后在汽車領域爆發。氧化鎵在十年內已取得重大進展，眼看離產業只差一步之遙，但針對材料制備和相關性質研究仍然不夠系統和深入，若想統治未來，掌握現在這十年將是關鍵！”
