【热点跟踪】来了来了！重大突破！第四代半导体迎来新进展！

近年来，以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料需求爆发，成为资本市场追逐的对象。如今，以氧化镓为代表的第四代半导体材料的闪亮登场，有望成为半导体赛道的新风口，相关A股公司也已抢先布局。

第三代半导体的火爆，因为新的材料体系可以在高压、大功率情况下采用单极器件，即使用SiC MOSFET、GaN HEMT、Ga2O3 FET，取代硅基的IGBT，除了产品可靠性、电流能力、成本下降空间尚需要一定时间验证外，几乎全面实现了前面所提到功率器件发展的所有诉求。而大规模制造和应用会带来成本和售价的降低，从而继续巩固市场主流技术地位，这也是超/宽禁带半导体应用的前景。

然而，相比其他半导体材料，第四代半导体材料拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势。可以在苛刻的环境条件下能够更好地运用在光电器件、电力电子器件中。

氧化镓被视为最佳材料之一。第四代半导体材料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。

第四代半导体领域竞赛已然拉开帷幕！

据市场调查公司富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约人民币92.76亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大。

随着电动车和便携式用电的需求成为主流，功率器件的重要程度日益提高，而日本已经明显在第四代半导体的氧化镓材料方面处于领先优势，日本半导体界也将Ga2O3作为日本半导体产业“复兴的钥匙”，已在国内掀起研发和应用的热潮。与此同时，美国、中国、欧洲等也正在试图追赶，可以想到的是，美日双方从材料供应到技术合作必然要比中日合作更加深入，这场功率器件竞赛已然拉开帷幕，而中国将可能独自前行。

我国第四代半导体材料制备近期连续取得突破！3月14日，西安邮电大学宣布，该校陈海峰教授团队日前成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓（GaO）外延片；此前在2月底，中国电子科技集团有限公司（中国电科）宣布，中国电科46所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。

为备受关注的第四代半导体材料之一，氧化镓目前在部分产品上已有使用，但距离大规模产业化应用尚远。“第四代半导体材料现在的研究成果距离应用落地，我感觉还有5年左右的时间。”国内某第三代半导体材料大厂一位高管表示，“不过看用在哪里，光电类的可能会快一些，日盲探测类现在也有产品，只是衬底尺寸很小。”

氧化镓的导通特性约为碳化硅的10倍。理论击穿场强约为碳化硅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。

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。

日本新兴企业Novel Crystal Technology正在加紧推进配备在纯电动汽车上的功率半导体使用的氧化镓晶圆的实用化，计划2025年起每年生产2万枚100毫米晶圆，到2028年量产生产效率更高的200毫米晶圆。该公司社长仓又认为，氧化镓比碳化硅更占优势。他表示，Novel Crystal拥有可将成本降低到三分之一的自主工艺。

而在之前的2月28日有消息称，中国电科46所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。中国电科46所氧化镓团队聚焦多晶面、大尺寸、高掺杂、低缺陷等方向，从大尺寸氧化镓热场设计出发，成功构建适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构，突破了6英寸氧化镓单晶生长技术，具有良好的结晶性能，可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制。2月27日，中国科学技术大学校微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台，分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。

相关研究成果分别在线发表于《应用物理通信》《IEEE电子设备通信》上。 正是因为重视程度的提高、研发力度的加大，近年来，我国在氧化镓的制备上连续取得突破性进展，从去年的2英寸到6英寸，再到最新的8英寸，氧化镓制备技术正愈发走向成熟。

随着量子信息、人工智能等高新技术的发展，半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。虽然前三代半导体技术持续发展，但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。

此背景下，人们将目光开始转向拥有小体积、低功耗等优势的第四代半导体。第四代半导体具有优异的物理化学特性、良好的导电性以及发光性能，在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。

第四代半导体因其优越的性能，可在众多领域广泛应用，也成为国际社会科技竞争的要点之一。发展第四代半导体产业已势在必行！

我国对新材料的关注不断加强。今年我国科技部将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，让第四代半导体获得更广泛关注。早在2018年我国已启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究。

在更早的今年5月10日，浙大杭州科创中心首次采用新技术路线成功制备2英寸 （50.8 mm）的氧化镓晶圆，使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际尚属首次。该新技术路线生长的氧化镓晶圆有两个显著优势，一是使用这种方法生长出的氧化镓晶圆的晶面具有特异性，使得制作的功率器件具有较好的性能；二是由于采用了熔体法新路线，减少了贵金属铱的使用，使得氧化镓生长过程不仅更简单可控，成本也更低，具有更大的产业化前景。

基于市场对功率密度更高、损耗更低、成本更低、性能更好的功率器件的渴求，有充分的理由相信氧化镓将会在未来3-5年释放惊人的潜力。第一代、第二代半导体材料主导的时代，国内和海外的技术代差较大，但在第三代、第四代半导体的新时代，彼此起步差距小，我国更是存在弯道超车的可能。