高頻、高效、高功率密度，指甲蓋大小的氮化鎵晶片正成為機器人產業騰飛的關鍵支撐。2025年被視為人形機器人量產元年，而第三代半導體氮化鎵（GaN）正成為這場機器人革命的核心推手。從特斯拉Optimus嘗試採用GaN驅動方案，到智元機器人在脖子、手肘等關鍵部位搭載英諾賽科的GaN晶片，再到宇樹科技、樂聚機器人等主流機器人公司確定使用氮化鎵關節電機驅動，GaN技術已從早期的技術探討轉變為明確的產業共識。01 機器人革命的“功率神經”人形機器人產業正經歷從“炫技”到“實用”的關鍵轉型。而在北京機器人馬拉松比賽中暴露的關節過熱、續航不足等問題，凸顯了傳統矽基晶片已難以滿足機器人高負荷運行的需求。氮化鎵作為第三代半導體材料，憑藉其高頻、高能效、耐高壓等特性，成為破解機器人關節驅動精度、功率密度與散熱難題的“金鑰匙”。英諾賽科產品開發部副總經理王懷鋒指出：“氮化鎵晶片具有更小的導通損耗、更低的開關損耗、沒有反向恢復損耗以及更小的器件體積。這些優勢在機器人關節電機驅動等關鍵應用中，切實解決了傳統技術面臨的諸多痛點。”據最新市場資訊，在12月4日至5日期間，GaN在機器人關節電機驅動方案中的應用已獲產業界一致認可，標誌著該技術正式進入規模化商用階段。02 氮化鎵的性能優勢與傳統矽基晶片相比，氮化鎵在機器人關節驅動中展現出三大核心優勢：更高的工作頻率、更低的導通損耗和更小的體積。在開關速度方面，氮化鎵器件可輕鬆實現數百千赫茲甚至兆赫茲等級的高頻開關，而矽基MOSFET的典型工作頻率通常僅為幾十千赫茲。這一特性直接推動了人形機器人伺服控制系統中PWM控制精度的提升。導通損耗大幅降低是另一大優勢。氮化鎵器件的導通電阻比矽基器件低一個數量級，導通損耗相比傳統矽基器件降低50%-70%。意優科技技術總監李戰猛透露：“氮化鎵驅動器的轉換效率可達98.5%以上，而傳統矽基方案的效率通常在85%-95%之間。這意味著在相同面積下，我們可以獲得更高的功率輸出，滿足人形機器人高爆發力運動的需求。”體積方面，採用GaN方案後，驅動板體積可直接縮減50%，解決了機器人關節空間緊湊佈局的痛點。英諾賽科的100V氮化鎵晶片應用於人形機器人關節驅動時，成功將電源模組的體積減少了30%。03 產業鏈佈局與國產化機遇面對這一新興賽道，國內外企業紛紛前瞻佈局。英諾賽科作為全球最大的8英吋矽基氮化鎵IDM廠商，2024年全球市場佔有率達40%以上，累計出貨量超過20億顆。該公司的氮化鎵產品已成功應用於人形機器人的上下身肢體關節，使功率提升30%，轉換效率提升5%。國際大廠同樣密切關注氮化鎵在人形機器人上的應用。德州儀器在今年2月的報告中指出，氮化鎵可以在高PWM頻率下以低損耗輕鬆實現更高精度的電機控制。英飛凌則推出了其12英吋氮化鎵功率半導體晶圓技術，預計首批樣品將於2025年第四季度交付客戶。在國產化方面，宏微科技自主研發的GaN100V/7mΩ型號產品適配機器人核心驅動需求，已向下游廠商送樣。固高科技發佈了適用於機器人的GSFDGaN氮化鎵伺服驅動器，在48V以內指標做到全球同級最高。三安光電的矽基氮化鎵技術平台已針對人形機器人關節及靈巧手電機領域進行產品最佳化，公司擁有每月2,000片的矽基氮化鎵產能，為規模化供應奠定了基礎。04 市場前景與增長潛力隨著人形機器人從實驗室走向規模化生產，GaN電機驅動市場規模預計將迎來爆發式增長。未來五年，複合增長率有望超過700%。一台人形機器人包含大、小關節電機約30至40個，小關節使用3至6顆GaN器件，最大的關節需要使用24顆GaN器件，一台人形機器人共需要使用氮化鎵器件約300顆。隨著機器人自由度和功率密度的提升，單個機器人使用的氮化鎵器件數量有望超過1000顆。價值量方面，以人形機器人單台60個關節計算，每個關節需配置6-8個氮化鎵器件。參考TI公司LMG系列4.4-7美元的單價，若全面採用GaN，單台機器人的GaN器件價值量將超過1萬元人民幣。英諾賽科董事長駱薇薇預測：“2030年全球氮化鎵功率半導體市場規模將達500億元，未來氮化鎵功率半導體市場規模可能比預測規模更具有想像力。”王懷鋒甚至更加樂觀地表示：“未來5年機器人會爆發式增長，因應用場景豐富，這個市場會比新能源汽車大100倍。未來的機器人，全身都會是氮化鎵產品，將會成為氮化鎵的最大應用市場。”05 挑戰與未來路徑儘管氮化鎵技術優勢顯著，但其大規模應用仍需突破驗證關。意優科技技術總監李戰猛坦言，氮化鎵器件在消費電子領域已大規模普及，但在機器人電機驅動領域尚處於批次驗證階段。硬體與軟體發展不匹配是另一個挑戰。李戰猛認為，“軟體在AI加持下發展迅猛，但硬體在材料、工藝等方面仍需突破。”成本問題也是氮化鎵晶片推廣應用的重要因素。不過，國內半導體廠家正通過釋放規模效應、提升良率、改善工藝等方式降低氮化鎵製造成本。英諾賽科是全球首家實現8英吋矽基氮化鎵晶圓量產的企業，這項技術相比行業常見的6英吋晶圓，能使單片晶圓晶粒產出提升80%，單顆晶片成本降低30%。隨著產能進一步擴大，單位固定成本將顯著降低。展望未來，李戰猛描繪了人形機器人的發展路徑：“未來5年內，人形機器人將逐步進入工廠，替代枯燥、重複、危險的工作，形成百億乃至千億級市場；而站在10年的時間維度上，人形機器人有望像汽車一樣走進家庭，成為具有兆級市場的家用智能終端。”不僅是關節驅動，氮化鎵技術還滲透到機器人的能源管理系統、感知與通訊系統等核心環節。隨著特斯拉、智元等頭部企業明確將GaN驅動器作為核心元件，一個全新的產業鏈正在形成。未來5年，機器人GaN電機驅動市場規模複合增長率有望超過700%，到2030年，全球人形機器人市場達到數百萬台規模，僅GaN驅動器件市場規模就可能突破百億元。 (吐故納新溫故知新)

10月21日消息，近日美國「大西洋理事會」發布了一份報告，介紹了中國宣布對金屬鎵及相關物項實施出口管制之後，美國所面臨的「缺鎵」困境，以及希望透過「廢物製鎵」的方式，回收已經流經美國國內工業體系的鎵。全球鎵供應依賴中國2023年7月3日，中國商務部與海關總署就共同發佈公告，宣布對鎵、鍺相關物項實施出口管制。而鎵、鍺屬於製備鎵類或鍺類相關化合物半導體所鬚的材料。2024年12月3日，中國商務部再度發佈公告稱，根據《中華人民共和國出口管制法》等法律法規有關規定，為維護國家安全和利益、履行防擴散等國際義務，決定加強相關兩用物項對美國出口管制。具體內容包括：禁止兩用物項對美國軍事用戶或軍事用途出口；原則上不予許可鎵、鍺、銻、超硬材料相關兩用物項對美國出口；對石墨兩用物項對美國出口，實施更嚴格的最終用戶和最終用途審查。身為全球金屬鎵、金屬鍺儲量及產量最大的國家之一，中國對鎵、鍺相關物項實施出口管制，對全球的科技產業也帶來了重大影響。根據美國地質調查局（USGS）公佈的數據，目前全球金屬鎵的儲量約為27.93萬噸，而中國的儲量最多，達到19萬噸，佔全球儲量的68%左右；相比之下，美國的儲量還不到中國的1/40，只有0.45萬噸。從產量來看，中國產量佔全球鎵產量最高。德國和哈薩克分別於2016年和2013年停止了鎵生產。 （2021年德國宣布將在年底前重啟初級鎵生產），匈牙利和烏克蘭分別於2015年和2019年停止鎵生產，中國鎵佔全球鎵產量持續提升，截止2021年，佔全球鎵產量已超90%。受中國出口管制的影響，歐洲鎵的現貨價格迅速飆升了40% 以上，導致交貨時間延長，並迫使晶片晶圓廠減少庫存並優先考慮關鍵項目。因為在許可證獲得批准之前，相關貨物不能離開中國，這迫使賣家等待，一些買家動用庫存。「這起事件不僅擾亂了大宗商品市場，還暴露了美國國防工業基礎的斷層線。」《大西洋理事會》的報告指出：「鎵具有巨大但被忽視的戰略價值。這種不起眼的金屬嵌入雷達、導引頭、安全射頻鏈路和衛星太陽能電池中，對於先進的電子出口系統至關重要。美國沒有國內生產鎵，也缺乏政府庫存來緩衝中國的系統至關重要。鎵的戰略利益與供應困境鎵不像銅或鋼那樣的大宗商品。雖然美國每年國防體系內的消耗量僅20 噸左右，足以由一輛平闆卡車容納。然而，這個小體積支撐著整個美國國防工業基礎。因為鎵對於電子供應鏈至關重要，許多先進的美國武器系統和衛星都需要鎵。此外，許多民用的電子產品對於含鎵的化合物半導體的需求更大，例如眾多的氮化鎵快充充電頭當中都有用到鎵。諷刺的是，鎵無所不在，卻又無處可尋。因為它以微量存在於許多每天加工的礦石中，例如氧化鋁、鋅和煤渣。然而，如果沒有深思熟慮的回收策略，鎵就會消失在廢物中。中國擁有近99% 的初級產量，不是因為它發現了更豐富的礦床，而是因為中國幾十年前就選擇在鋁生產過程中回收鎵。中國目前對鎵的出口管制，並不是的完全的禁止出口，而是將鎵的出口進行嚴格的監管。該報告稱，如果中國真的完全禁止對外出口，“那麼美國的經濟、軍事和技術優勢所面臨的危險，將比大多數政策制定者意識到的要危險得多。”美國無法擺脫鎵困境。因為鎵在礦石中的含量很少超過百萬分之幾，而是在無形中遍布在鋁礦石和鋅礦石中。與鋰或銅等富集礦不同，目前尚未發現品位足夠高的鎵礦床。一個歷史上的例外是美國猶他州的Apex 礦，該礦於1980 年代重新開放，從獨特濃縮的礦床中提取鎵和鍺。由於大宗商品價格下跌、礦石品質問題和昂貴的冶金，但它在兩年內關閉。 Apex 的關閉表明，原生鎵開採是不可持續的。Apex 的關閉也使美國完全依賴進口。美國幾乎所有的低純度鎵和大部分的高純度鎵都來自中國，只有美國紐約的一家工廠將進口原料和半導體廢料升級為高純度鎵金屬。這是一項關鍵能力，但對於使戰爭物資供應鏈免受衝擊而言，其能力太有限。當中國實施出口許可證時，美國買家除了減少他們持有的少量庫存外別無後備。其他國家對風險的管理方式不同。日本和韓國將政府儲備鎵作為其更廣泛的關鍵礦產戰略的一部分。人們普遍認為中國擁有國家庫存，但數量尚未披露。相較之下，美國沒有將鎵納入國防後勤局的年度物資計劃，也沒有將其納入國防儲備。美國希望“廢物製鎵”「大西洋理事會」指出，鎵在理論上很豐富，但在實踐中卻難以獲得。美國精煉的每一噸氧化鋁或鋅都含有微量鎵。雖然僅捕獲1% 的副產品就可以滿足美國的需求，但如果沒有專用的回收設備和技術，鎵就會消失在紅泥、爐渣或煙囪中。所以，對於美國的鎵安全來說，它的解決方案不會來自新礦山，而是需要像對待任何武器計劃一樣認真對待微量鎵回收，尤其是在下一次供應衝擊來襲之前。「廢棄物製鎵」方法利用了已經處理數百萬噸氧化鋁、鋅、煤渣和半導體廢料的基礎設施。現在，美國華盛頓必須鼓勵工業以軍事物資所需的純度擴大規模、合格和維持產出。「大西洋理事會」也給了美國增加國內鎵供應有五種方式：首先，氧化鋁精煉提供了增加鎵庫存最快的方法。在鋁生產中，大部分鎵溶解在苛性鹼中，其餘的則結合在赤泥廢料中。中國決定安裝捕集裝置，將其鋁精煉廠變成了一項戰略資產。美國今天沒有這樣的能力，儘管試點正在出現。例如，ElementUS 在路易斯安那州擁有3000 萬噸赤泥，正在測試回收鎵以及鐵、氧化鋁和鈧的流程圖。該專案強調，雖然鎵回收很少單獨具有經濟意義，但當將其納入多產品策略時，它是可行的。其次，鋅冶煉廠可以使鎵提取的來源和方法多樣化，提高供應鏈的彈性。鎵往往集中在黃鐵礦和針鐵礦等殘留物中，這些殘留物可以浸出和精煉。 Nyrstar 在田納西州經營一家大型工廠，該公司已提出鎵鍺回收迴路的計劃，該迴路能夠滿足美國很大一部分需求。化學過程相對簡單，並經過國家實驗室測試驗證，但融資仍然難以捉摸。如果沒有有針對性的支持，像這樣有前途的專案將永遠不會離開繪圖板。第三，需要透過盟友和夥伴確保鎵供應。 2025 年，力拓和銦公司在加拿大魁北克省的Vaudreuil 氧化鋁精煉廠展示了鎵回收，並在美國紐約進行了試點步驟。 RemovAL 等歐洲試點公司正在測試紅泥浸出，而日本和韓國正在投資回收過程。模式是明確無誤的；預計未來鎵資源短缺的國家正在將鎵捕獲嵌入其工業生態系統中。美國政策制定者應鼓勵與盟友和夥伴進行鎵回收整合，以最大限度地增加選擇。值得一提的是，當地時間10月20日，澳洲宣布與美國達成85億美元關鍵礦產和稀土合作協議。其中就包括美國將在西澳投資興建一座年產能100噸的鎵精煉廠。美國鋁業公司今年8月也磨蹭宣布，正與日本探討在其位於西澳的一家氧化鋁精煉廠進行鎵回收計畫的可行性。第四，煤基廢棄物提供了另一種鎵捕獲選擇。粉煤灰和酸礦排水中含有低濃度的鎵。能源部試行了最初為稀土元素設計的輕酸浸出工藝，這些稀土元素可以適應回收鎵。經濟性取決於共同回收其他關鍵礦物，但將廢棄物堆轉化為戰略原料的前景表明了該方法的多功能性。最後，最容易被忽略但又最容易的鎵回收途徑是半導體廢棄物。紐約的一家美國煉油廠已經將廢料升級為高純度鎵。雖然規模不大，但這種能力透過更短的供應鏈和清晰的可追溯性提供軍用級材料，這對於需要安全、可審計來源的國防買家來說是有利的。美國應該尋求增加回收半導體廢料的煉油廠數量，以建立高純度鎵庫存。「大西洋理事會」補充稱，從廢物流中回收鎵不是一場科學賭博，這種模式的成功已經被證明了幾十年。美國需要的是深思熟慮的政策決定，將廢棄物轉化為儲備的鎵。實現這一目標需要美國的融資、資格優先的資助和國家層級的儲備支持，如果沒有這些支持，也無法實現。(芯智訊)

作為第三代半導體材料的代表，氮化鎵被稱為“半導體遊戲規則的改變者” 。2015年，看好氮化鎵的前NASA科學家駱薇薇回國創業，如今，她已是全球氮化鎵晶片的王者。AI正帶來一系列的用電挑戰與變革。科技巨頭們則忙著制定新的遊戲規則，引領行業前進。比如，輝達就決定引領資料中心電力系統的換代，從54V直流架構升級到800V高壓直流架構，目標在2027年全面部署，以滿足AI算力需求暴增後的供電效率。8月1日，輝達公佈了800V直流電源架構合作夥伴名錄，7家企業入選了晶片供應商名單，有美國老牌晶片大廠、“張忠謀的老東家”德州儀器，日本知名半導體製造商羅姆，德國汽車晶片巨頭英飛凌，歐洲的意法半導體等等——“最年輕”的，是來自中國的半導體廠商英諾賽科。三天後，英諾賽科在官網發文，“本公司第三代氮化鎵GaN晶片具備高頻、高效率與高功率密度等特性，為輝達800VDC架構提供從800V輸入到GPU終端，覆蓋15V到1200V的全鏈路氮化鎵電源解決方案。”英諾賽科能被輝達看中，與國際大廠並肩站在AI舞台的中央，靠的就是對氮化鎵晶片技術的研究。製材直接決定著晶片的成本、效率和性能。自1950年代晶片發明至今，先後有以矽為代表的第一代晶片材料，以砷化鎵和磷化銦為代表的第二代晶片材料，以及氮化鎵、碳化矽為代表的第三代材料。其中，矽依然憑藉穩定性高和地殼含量多等因素佔據晶片材料的主流選擇。1980年代興起的以砷化鎵和磷化銦為代表的化合物晶片，主導了移動通訊基站、衛星通訊系統等場景，但在整個晶片應用領域仍屬小眾。2010年開始登上舞台的氮化鎵，則被認為有可能對矽產生顛覆性的影響，因為它的各種特性都優於矽，而且特別適合AI時代。以氮化鎵為材料做出的晶片，具有高功率、低能耗、體積小的特性，以AI時代最迫切需要的資料中心為例，應用氮化鎵晶片，可使單機房算力密度提升10倍以上。成立於2015年的英諾賽科，目前已是氮化鎵晶片領域的龍頭企業，在全球氮化鎵功率半導體市場份額排名第一，市佔率達42.4%，2024年在港股上市，目前市值近900億。英諾賽科創始人駱薇薇為美籍華人晶片專家，她曾在NASA工作15年，從項目經理一路做到首席科學家。2014年，美國納微半導體成為全球首個推出氮化鎵功率晶片的公司，全球氮化鎵材料晶片的研發與應用加速，一直關心著中國晶片發展的駱薇薇認為，這是中國實現晶片趕超的機會，於是決定回國創業。駱薇薇曾用三個“難”字形容英諾賽科的創業之路，研發難、融資難、建廠也難，最初談了十幾個投資機構都黃了，但她始終對氮化鎵充滿信心，“我們沒有被‘固有經驗’勸退，每天朝著‘不可能’多走一步，走到了今天。”2015年12月，駱薇薇回國創業，在珠海高新區成立英諾賽科，出資方包括英諾賽科、國企珠海高新創投和珠海高新技術創業服務中心，註冊資本10億人民幣。即便自身是晶片專家，要在前沿領域做一家新公司，難度依然可想而知，得知消息的朋友，也曾勸她，“氮化鎵的坑太深了，不熬八、九年別想量產。”但駱薇薇認為，困難是可以克服的，而且難才更顯意義。“在NASA的工作經歷讓我積累了勇氣，再難的事，也敢做可行性分解，按邏輯一步一步去完成。”非但如此，她還一開始就選擇了最困難的方式，立志徹底掌握核心，創造出一個不同的成功樣本。自台積電張忠謀將晶片產業的設計製造一劈為二，分為晶片製造（代工）、晶片設計以來，晶片創業公司大都選擇了資產門檻更低，也更能聚焦力量投入研發的設計路線，而製造則交給台積電、中芯國際等專業大廠。但駱薇薇和創始團隊卻選擇了IDM全產業鏈模式，把設計、製造、銷售都掌握在自己手裡。這麼選的理由是，只有有了自主可控的生產線，才能解決氮化鎵晶片大規模推廣的三大痛點：價格、量產和供應鏈保障。而且，他們還更有挑戰性地決定：直接製造領先業界的8英吋晶圓，而不是當時市場主流的6英吋晶圓。相比6英吋，8英吋晶圓能多產出80%的晶粒，降低30%的成本，做8英吋能真正把價格打下來，但每擴大一英吋，難度都呈指數級上升，要攻克一系列技術難關。創業頭兩年，駱薇薇就像是“救火隊長”，帶領團隊四處突圍，買不到歐美卡脖子的裝置，就想方設法找舊機器，年輕人工程師沒經驗，就駐守車間一遍一遍地教……最終，英諾賽科克服一系列困難，攻下了兩大核心技術，一是突破了低翹曲度、低缺陷及位錯密度、低漏電晶圓製造等世界級挑戰，成功掌握了8英吋矽基氮化鎵外延技術；二是開發出8英吋矽基氮化鎵器件製造工藝流程。2017年11月，英諾賽科建成了中國首條8英吋矽基氮化鎵外延與晶片生產線，於無聲處響了一記驚雷，受到了行業內外的關注，也為擴大產能找到了“伯樂”。當時，正在加碼晶片產業的江蘇蘇州，邀請英諾賽科入駐其汾湖新型半導體產業園，支援其開建了被列為江蘇省重點項目的、投資總額就高達80億元的第三代半導體基地。2020年夏天，英諾賽科的8 英吋晶片生產線迎來重大突破，產品良率達到92%，那天，一身油污工服的駱薇薇跟工程師團隊一起歡呼勝利。2021年6月，英諾賽科（蘇州）半導體公司舉行了量產暨研發樓奠基儀式，標誌著全球最大的氮化鎵生產基地正式投產，對全球第三代半導體技術的發展意義重大，上海、蘇州和國家積體電路產業投資基金的相關領導都出席了慶典。歷經6年艱辛研發，英諾賽科的8英吋矽基氮化鎵終於開啟了大規模量產的階段。隨著量產的實現，英諾賽科得以大展拳腳，一位強援的加盟更是如虎添翼，他就是中芯國際技術研發副總裁吳金剛博士。吳博士在中芯國際任職20年，是先進工藝製程業務的核心管理者，能讓他放棄千萬股權激勵離職，很多人猜測下家可能是華為，但沒想到是擔任英諾賽科的CEO。打動吳博士的不是企業的規模，而是一個有更大想像力的未來，這也是駱薇薇她們所相信的，“氮化鎵技術將重塑AI算力、新能源汽車、機器人等未來產業的賽道。”以人形機器人為例，機器人的靈活性取決於關節電機，傳統電機存在體積大、發熱高、續航短等問題，而未來單個機器人的關節將從今天的幾十個增加到兩百個以上，如果應用氮化鎵驅動模組，將徹底解決關節電機的問題，讓人形機器人無限接近人的靈活性。在消費電子領域，氮化鎵技術帶來的改變已經出現，其低邊驅動器晶片能縮小電源系統的尺寸，降低功率損耗，延長電池的使用時間，進而被諸如手機，乃至新能源汽車相關產品採用。2021年10月，英諾賽科自主研發的雙嚮導通產品VGaN率先匯入OPPO手機，成為世界第一款匯入智慧型手機內部電源開關領域的氮化鎵晶片。隨後，智能充電品牌安克也採用了英諾賽科的氮化鎵晶片，兩家共同發佈了全球首款65W全氮化鎵快充，攜手把手機快充裝置推進到“氮化鎵時代”。與手機快充一同快速發展的，還有英諾賽科的汽車電子業務，2022-23年，其多款車載充電器、雷射雷達電源晶片產品獲得了AEC-Q101車規級認證。在英諾賽科的C輪融資中，寧德時代董事長曾毓群以個人名義投資了2個億，英諾賽科也收穫了寧德時代這個重要的客戶，為其鋰電池相關裝置提供電源模組。2023年，不斷取得頭部客戶的英諾賽科，營收突破5億達5.93億元，截至當年8月，其氮化鎵晶片出貨量突破3億顆，實現了消費和工業級產品（手機、LED、汽車雷射雷達、資料中心）的大批次交付，一躍成為全球消費類領域最大的氮化鎵供應商，市場份額高達42%，雖然依然虧損，但盈利的曙光已經展現。如此業績，也讓英諾賽科遭到國外同行阻擊。2023年5月，美國氮化鎵巨頭宜普就向聯邦法院和美國國際貿易委員會（ITC）指控英諾賽科專利侵權，意欲禁止其產品出口美國，但英諾賽科的700+項技術專利，瓦解了對方的進攻，取得了專利案的勝利。打贏專利官司的另一邊，英諾賽科不斷加快走向全球市場的速度，在矽谷、首爾、比利時等地設立了子公司和研發中心。駱薇薇常對海外團隊說，要讓世界相信‘中國芯’。而且，技術出身的她，也會變成“推銷”高手給同事們支招，“你們除了聊參數、技術之外，也要直觀地告訴客戶，用我們的晶片，能讓您的新能源車多跑50公里，資料中心的能耗降低20%。”8月28日，英諾賽科發佈了2025年的半年報，營收5.53億元，比去年同期增長43.4%，毛利率由負轉正為6.8%，還與頭部客戶全球首次實現搭載氮化鎵晶片的機器人量產出貨。據諮詢機構調研，隨著AI資料中心、新能源汽車、機器人的迅猛發展，對第三代半導體晶片的需求也將越來越大，除了氮化鎵，同屬第三代晶片材料的碳化矽也在快速增長，其2030年的市場規模將達到150億美元。而據業內專家預測，氮化鎵晶片市場將在兩到三年內達到數十億美元的規模，並在未來十年內達到約數百億美元。因此，氮化鎵晶片的競爭仍會相當激烈，英諾賽科的勁敵英飛凌已經宣佈，其成功研發的12英吋晶圓量產在即，而駱薇薇的征程也剛到中途，她的目標是：“做第三代晶片的台積電、輝達，不是羨慕人家的規模，而是技術上的話語權。”今年春節，英諾賽科爆單了，員工們無暇過節，每天安排70人堅守在無塵車間，為了響應海外使用者的需求，維護團隊24小時待命，一位研發工程師看著實驗室裡毫米見方的氮化鎵晶圓，對記者說：“我們追趕的不是時差，是時代。” (投資家)

半導體的進步既是工藝製程的進步，也是半導體材料的進步。縱觀新能源汽車和消費電子的發展歷程，第三代半導體憑藉其禁頻寬度極寬、高導熱率等優勢，在推動產業發展中發揮著重要作用。AI時代，第三代半導體也沒有落下——今年5月，輝達宣佈，其下一代800V HVDC架構採用納微半導體的GaNFast氮化鎵和GeneSiC碳化矽技術開發。但技術的演進從來不是簡單的線性替代。在AI時代，一場“逆襲”正在悄然上演。曾經被視為“過渡技術”的第二代III-V族化合物半導體磷化銦(InP)，正重新站到聚光燈下。光晶片龍頭公司Lumentum不久前發佈了最新財報，多項資料超出市場預期，背後的強勁動力就來自光學硬體的強勁需求。2025年第二季度，公司創下EML出貨收入新高，並開始向多家超大規模客戶部署200G通道速率的EML雷射器——這裡提到的EML，即是基於Lumentum磷化銦平台。Lumentum表示，正大力投資磷化銦製造產能，以確保未來幾年供應能夠滿足“預期激增的需求”。高需求預期之下，作出擴產選擇的並不止Lumentum。日本半導體材料商JX金屬7月表示，擬投資15億日元（約合0.73億元人民幣），將其位於日本茨城縣北茨城市磯原工廠的磷化銦襯底產能提高約20%。JX金屬是全球少數幾家磷化銦襯底製造商之一。公司表示，隨著光通訊在AI資料中心資料傳輸中使用規模擴大，公司磷化銦襯底需求也日益增長，預計未來磷化銦襯底的需求將持續走高，公司正在考慮進一步進行投資，並根據需要靈活調整。為什麼是磷化銦？磷化銦是由磷和銦組成的二元半導體材料，是僅次於矽之外最成熟的半導體材料之一，被廣泛應用於生產射頻器件、光模組、LED（Mini LED及Micro LED）、雷射器、探測器、感測器等器件。在過去，磷化銦主要應用於電信裝置和特殊儀器中，產品應用面相對冷門。20世紀80年代，磷化銦首次被用於電晶體中，20世紀90年代，磷化銦被用於電信用電吸收調製雷射器中。但隨著AI熱潮掀起，因磷化銦具有飽和電子漂移速度高、發光損耗低的特點，高度符合AI高速計算需求，能讓資料順利實現高速傳輸，由此成為光晶片上游的關鍵原料，從曾經的冷門產品一躍成為AI產業鏈中最炙手可熱的材料之一。光晶片以光子為載體，通過光波導、調製器、探測器等元件實現超高速、低功耗及大頻寬的資訊處理，核心材料體系以矽基（低成本、CMOS 相容）與磷化銦（高效光源） 協同為主。國信證券指出，矽是理想的光電子整合平台，矽基材料與化合物材料結合有望充分平衡性能與成本。其中，Ⅲ-Ⅴ族材料如磷化銦是高性能雷射器的核心材料，因為這類材料是直接帶隙材料，具備高發光效率。天風證券此前報告認為，AI算力提升浪潮下，金屬材料產業鏈迎來發展新機遇。其中，在資料傳輸層面，磷化銦襯底可被廣泛應用於製造光模組器件，在5G通訊、資料中心等產業迅速發展及AI算力提升的拉動下，有望蓬勃發展。據Yole預測，2019年全球磷化銦襯底市場規模為0.89億美元，2026年全球磷化銦襯底市場規模為2.02億美元，2019-2026年複合增長率為12.42%。資料顯示，中國是全球最大的磷化銦供應國，佔比約六成，之後依序為德國、日本與美國。磷化銦襯底前三大供應商分別是日本住友電工、美國AXT以及法國II-VI；其中，AXT市佔率高達六至七成，主要生產基地位於中國。值得一提的是，日前九峰山實驗室宣佈在磷化銦材料領域取得重要技術突破，成功開發出6英吋磷化銦（InP）基PIN結構探測器和FP結構雷射器的外延生長工藝，關鍵性能指標達到國際領先水平。這一成果也是國內首次在大尺寸磷化銦材料製備領域實現從核心裝備到關鍵材料的國產化協同應用。 (財聯社)

近日，華為和山中國學的作者發佈了一篇題為《1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET》的我論文。在文中，他們介紹一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET，採用氟注入終端（FIT-MOS）。FIT （fluorine implanted termination）區由於帶有固定的負電荷而表現為高電阻，可自然地將離散器件隔離，取代了傳統的檯面刻蝕終端（MET），消除了檯面邊緣的電場擁擠效應。結果顯示，FIT-MOS 的擊穿電壓從 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外，所製備的 FIT-MOS 具有 3.3 V 的閾值電壓 (Vth)、約 10^7 的開關比 (ON/OFF ratio)，以及 5.6 mΩ·cm² 的比導通電阻 (Ron,sp)。這些結果表明，GaN-on-Si 垂直電晶體在 kV 級應用中具有巨大的性價比潛力。簡介氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）等寬禁帶半導體，在開發高效、高密度電力系統方面具有巨大潛力。目前，GaN 基電晶體已廣泛應用於 100 V 至 650 V 的電源，而 SiC 基電晶體則主要在 1200 V 以上的高壓領域佔據商業主導地位。然而，對於 650 V 至 1200 V 這一對成本和性能競爭都異常激烈的市場區間，GaN 和 SiC 誰將成為最佳選擇，仍未可知。儘管 SiC 基電晶體的發展取得了顯著進展，但其相對高昂的襯底成本，從經濟角度限制了它們在這一電壓範圍內的競爭力。幸運的是，在低成本、大尺寸矽（Si）襯底上外延生長 GaN 的異質外延技術取得了突破，這為製造高性價比、高性能的 GaN 電晶體帶來了巨大希望。得益於 AlGaN/GaN 異質介面處產生的高密度二維電子氣（2DEG），**GaN 基橫向高電子遷移率電晶體（HEMTs）**在需要高頻率和低電壓的應用中具有顯著優勢。然而，由於橫向架構固有的可擴展性限制，將 GaN-on-Si 橫向 HEMT 的擊穿電壓擴展到 650 V 以上仍然是一個挑戰。相比之下，垂直拓撲結構具有設計靈活性，垂直 GaN 功率電晶體通過增加漂移層的厚度而不增加器件的面積，在千伏（kV）級阻斷能力方面展現出顯著優勢。近年來，已成功開發出多款 1200 V 垂直 P-i-N 二極體，並展示了優異的阻斷和雪崩能力，這驗證了垂直 GaN-on-Si 拓撲在高壓和高功率應用中的可行性。Liu 等人首次報導了准垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET，採用 4 μm 厚的 GaN 漂移層，其硬擊穿電壓達 645 V。隨後研究聚焦於最佳化 p-GaN 通道區與柵介質層，以改善准垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET 的導通性能和可靠性。為消除准垂直結構中存在的電流擁擠效應，Khadar 等人展示了首個全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET，其漏極焊盤沉積於通過選擇性去除緩衝層和矽襯底後暴露的背面 n+-GaN 層上。Debaleen 等人報導了一種帶有導電緩衝層的全垂直 GaN-on-Si 電晶體，這種設計消除了複雜的襯底工藝並簡化了製造流程。然而，由於缺乏有效的終端結構和高品質的漂移層，這些報導的垂直 GaN-on-Si MOSFETs 的擊穿電壓（BV）仍低於 650 V，這對於千伏（kV）等級的電力系統應用來說是不足的。本文展示了一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET，採用氟離子注入終端（FIT）。傳統的檯面刻蝕終端（MET）被電阻型 FIT 結構取代，該結構能夠有效隔離離散器件，並緩解終端區域的電場擁擠效應。因此，FIT-MOS 的擊穿電壓從 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外，FIT-MOS 表現出增強型工作模式，具有 3.3 V 的閾值電壓 (Vth)、約 107 的開關比 (ON/OFF ratio)、低的比導通電阻 (Ron,sp) 為 5.6 mΩ·cm²，以及 8 kA/cm² 的高導通電流密度。這些結果為基於 GaN-on-Si 垂直電晶體的 kV 級電力電子系統的發展奠定了基礎。外延生長與器件製造圖 1(a)-(b) 展示了全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的結構示意圖和溝槽柵區域的截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。通過注入強電負性的氟離子，原本導電的 n+-GaN/p-GaN 層在 FIT 區域內變為電阻層，從而有效地隔離離散 FIT-MOS 器件，消除了傳統 MET 結構的需求。FIT-MOS 的柵溝槽深度為 1.15 μm，延伸至 n-GaN 漂移層。可以觀察到完整的柵堆疊結構，包括 100 nm 厚的 SiO₂ 柵介質層，以及 50/150 nm 厚的 Cr/Au 柵金屬層。圖 1：（a）全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET 的結構示意圖；（b）帶氟注入終端（FIT-MOS）的溝槽柵區域橫截面 SEM 圖像。FIT-MOS 的製造工藝首先使用 SiO₂作為硬掩膜進行柵溝槽刻蝕，隨後在氮氣環境下以 850°C 快速熱退火（RTA）20 分鐘，以啟動埋藏的 p-GaN 層中的受主。通過在 25% TMAH 溶液中 85°C 浸泡 3 小時修復干法刻蝕損傷。隨後進行三能級氟離子注入（能量/劑量：240 keV/4×10¹⁴cm⁻²，140 keV/2×10¹⁴cm⁻²，80 keV/1.2×10¹⁴cm⁻²），採用住友 Eaton Nova 的 NV-GSD-HE 離子注入機，並用約 6.5μm 厚的 AZ4620 光刻膠作為掩膜，形成 FIT 區域。隨後採用原子層沉積（ALD）沉積100 nm 厚的SiO₂柵介質層，並通過反應離子刻蝕（RIE）開源極接觸孔。最後沉積雙層 Cr/Au 堆疊以形成柵極和源極電極。低電阻矽襯底作為漏極電極。MET-MOS 與 FIT-MOS 的工藝流程類似，不同之處在於 MET-MOS 採用檯面刻蝕來隔離離散器件。結果與討論圖 2(a)-(b) 展示了全垂直溝槽 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的截面 SEM 圖像及二次離子質譜（SIMS）剖面。從上到下，N-P-N 結構包括：20nm厚的 n⁺⁺-GaN 層（Si 摻雜 ~1×10¹⁹cm⁻³）、200 nm厚的n⁺-GaN 源極接觸層（Si 摻雜~5×10¹⁸cm⁻³）、400nm厚的 p-GaN通道層（Mg摻雜~1×10¹⁹cm⁻³）、以及 7μm厚的 n⁻-GaN 漂移層（N_D–N_A ~8×10¹⁵cm⁻³）。該結構外延在 6 英吋 Si 襯底上，並採用導電緩衝層，通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）實現。圖 2(a) 全垂直溝槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(b) 全垂直溝槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的二次離子質譜（SIMS）剖面圖；(c) (002) 和 (102) 晶向的 Omega 搖擺曲線。插圖顯示了在 Si 襯底上生長的 GaN層；陰極發光（CL）圖像；(d) 通過物質中離子輸運 (TRIM) 模擬和二次離子質譜（SIMS）測量得到的氟離子（F 離子）分佈。導電緩衝層由 AlGaN/AlN 多層組成，可實現全垂直電流通路，同時避免複雜的襯底工程工藝。而且，基於 AlGaN/AlN 的緩衝層還能對上方的 GaN 漂移層提供足夠的壓應力，有效補償拉伸應力，避免因高溫冷卻過程引起的裂紋。通過 X 射線ω搖擺曲線的半峰寬（FWHM）（見圖 2(c)），估算出的穿通位錯密度（TDD）為 3.0×10⁸cm⁻²，其計算公式如下：其中，β是半峰寬，b是伯格斯向量。通過陰極發光（CL）測量也得到了類似的位錯密度（TDD），為1.4×10⁸cm⁻²，如圖 2(c) 的插圖所示。圖 2(d) 顯示了通過物質中離子輸運 (TRIM) 模擬和 二次離子質譜 (SIMS) 測量得到的氟離子（F 離子）分佈剖面，結果顯示氟離子在 FIT 結構中呈均勻分佈。圖 3(a) 顯示了 FIT-MOS 在 VDS = 10 V 下的轉移特性曲線（線性與對數坐標）。FIT-MOS 表現為增強型工作模式，具有正的閾值電壓 Vth = 3.3 V（在 IDS = 1 A/cm² 時提取）、約 10⁷ 的開關比，以及 ~0.5 V 的遲滯現象。圖 3(b) 顯示了所製備 FIT-MOS 的輸出特性，揭示其高導通電流密度為 8 kA/cm²。由線性區計算得到的比導通電阻 Ron,sp 約為 5.6 mΩ·cm²。圖 3(a) 所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的轉移特性曲線；(b) 所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的輸出 I-V 特性曲線。ID（漏極電流）已按溝槽面積進行歸一化。圖 4 對比了FIT-MOS 與 MET-MOS 的關斷態擊穿特性。在擊穿前，柵漏電流 (IG) 始終低於10⁻⁶A/cm²，表明柵介質堆疊在高漏極偏壓下具有優異的穩定性。FIT-MOS 的擊穿電壓高達 1277 V，而 MET-MOS 在 567 V 就發生了過早擊穿。在低 VDS 時，FIT-MOS 的關斷態電流密度比 MET-MOS 更大，這是由於 FIT 結構引入了額外的縱向漏電通道。這一現象可通過測試結構的點對點漏電流密度（見圖 5(a)）得到驗證。此外，由於氟離子注入後 FIT 區域存在 Ga 空位、原子鍵合不足以及能量約束不足，氟離子可能在 GaN 晶格中擴散並逸出表面，從而影響器件的熱穩定性。採用最佳化的後注入退火工藝可有效降低關斷態漏電流密度，並增強 FIT-MOS 的熱穩定性。圖 4，在 VGS=0 V 條件下，所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 和 MET-MOS 的關態擊穿 I-V 特性曲線。插圖顯示了 FIT-MOS 和 MET-MOS 的潛在漏電路徑。圖 5(a) 帶有 FIT 和 MET 隔離的測試結構（插圖）的焊盤到焊盤的漏電流密度；(b) MET-MOS 在VDS=400 V時的模擬電場分佈；(c) FIT-MOS 在 VDS=1200 V 時的模擬電場分佈為分析 MET-MOS 和 FIT-MOS 的擊穿機理，採用 TCAD 模擬計算二維電場分佈（見圖 5(b)-(c)）。模擬中使用的關鍵物理模型包括載流子漂移擴散模型、產生-複合模型、連續性方程與泊松方程，以及雪崩電離模型。在 VDS = 400 V 時，MET 結構在檯面拐角處可觀察到電場擁擠，峰值電場達 2.7 MV/cm，導致其擊穿電壓下降。而如圖 5(c) 所示，FIT 結構能夠有效抑制終端區域的電場擁擠。然而，在溝槽柵區域仍觀察到電場擁擠，這可以通過採用柵極遮蔽結構來有效抑制。圖 6：（a）比導通電阻 Ron,sp 與擊穿電壓 BV 的對比；（b）漂移層厚度 (Tdrift) 與擊穿電壓 BV 的對比。對比對象為本文製備的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 與已報導的在 Si、藍寶石 (Sap) 和 GaN 襯底上的 GaN 垂直溝槽 MOSFET圖 6(a)-(b) 對比了本文製備的 GaN-on-Si FIT-MOS 與已報導的在 Si、藍寶石 (Sap) 和 GaN 襯底上製備的垂直 GaN 溝槽 MOSFET 的 Ron,sp–BV 以及漂移層厚度–BV 特性。本文 FIT-MOS 在異質襯底（Si 與 Sap）上實現了先進水平的擊穿電壓 1277 V，低比導通電阻 5.6 mΩ·cm²，以及高 Baliga 優值（BFOM = BV² / Ron,sp）為 291 MW/cm²，其性能與在本征 GaN 襯底上製備的器件相當。此外，得益於高效的氟注入終端技術，7 μm 漂移層厚度的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 實現了與典型 1200 V 級 GaN-on-GaN 垂直溝槽 MOSFET 相當的擊穿電壓，而後者通常需要超過 10 μm 的漂移層厚度。這一結果標誌著低成本 GaN-on-Si 垂直 MOSFET 向 1200 V 級電力應用邁出了關鍵一步。結論本文展示了一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET，採用氟離子注入終端（FIT）技術。FIT 結構取代了常規的檯面刻蝕終端，有效地實現了對離散 FIT-MOS 器件的隔離，從而消除了 MET-MOS 中的電場擁擠效應。結果實現了 1277 V 的先進擊穿電壓，以及 291 MW/cm² 的 Baliga 優值 (BFOM)。氟注入終端技術為垂直 GaN 溝槽 MOSFET 在 kV 級電力系統中的應用展現了巨大的潛力。 (半導體行業觀察)

近年來，5G/6G通訊、資料中心及量子應用需求增長，傳統矽工藝在高頻高效上遇瓶頸。氮化鎵（GaN）因寬頻隙、高遷移率備受關注，但高成本和整合難題限制應用。MIT團隊提出新工藝：在GaN晶圓批次製備微型電晶體，精準切割成約240×410微米晶粒，再通過低於400°C的銅-銅鍵合，將晶粒粘接到標準矽CMOS晶片。該方法成本低、相容主流流程，兼具GaN性能與先進矽工藝優勢，可提升頻寬和能效並降低溫度。以功率放大器為示範，晶片面積不足0.5平方毫米，增益和效率超傳統矽方案，有望提升手機通話質量、無線頻寬和續航。同時相容現有製造流程，不僅可最佳化當前電子裝置，也為未來低溫量子異質整合奠定基礎。研究人員開發出了一種全新的晶片製造工藝，能夠以低成本、可擴展的方式，將高性能氮化鎵（GaN）電晶體整合到標準的矽基CMOS晶片上｜圖源：研究團隊提供麻省理工學院研究生、該方法論文第一作者Pradyot Yadav表示：“如果我們能夠降低成本、提高可擴展性，同時增強電子器件性能，那麼採用這項技術顯而易見。我們結合了矽技術的優勢與氮化鎵電子學的最佳性能。這些混合晶片可徹底變革眾多商業市場。”Pradyot Yadav 是麻省理工學院電子工程與電腦科學系的博士研究生，研究聚焦於異質整合、三維晶片結構以及射頻與功率電子等前沿方向。作為本研究的第一作者，他主導開發了一種創新工藝，通過低溫銅-銅鍵合方式，將微型氮化鎵電晶體高效整合到矽晶片上，是這一整合平台的核心奠基者。論文合作者包括MIT研究生Jinchen Wang、Patrick Darmawi-Iskandar；MIT博士後John Niroula；高級作者、微系統技術實驗室（MTL）訪問科學家Ulrich L. Rohde；EECS（電氣工程與電腦科學系）副教授、MTL成員Han Ruonan；Clarence J. LeBel電子工程與電腦科學教授、MTL主任Tomás Palacios；以及佐治亞理工學院和美國空軍研究實驗室的合作者。該研究成果最近在IEEE射頻積體電路研討會上進行了展示。Han Ruonan是MIT電氣工程與電腦科學系副教授、微系統技術實驗室（MTL）核心成員，長期專注於高速無線通訊、毫米波/太赫茲積體電路和異質整合系統等領域研究。作為本研究的高級作者之一，他為整體架構設計和理論創新提供了關鍵指導，是推動該技術邁向實際應用的重要學術力量。電晶體替換：整合思路概述氮化鎵是世界上第二大使用最廣泛的半導體，僅次於矽。其獨特特性使其在照明、雷達系統和功率電子等應用中表現優越。氮化鎵材料已有數十年歷史。若要發揮其最大性能，需要將氮化鎵晶片與數字矽晶片（即CMOS晶片）互聯。目前部分整合方法是通過銲接將氮化鎵電晶體粘接到CMOS晶片上，但這限制了氮化鎵電晶體的最小尺寸。而電晶體越小，其可工作的頻率越高。也有方法將整片氮化鎵晶圓疊加到矽晶圓上，但這會消耗大量氮化鎵材料，成本極高，且實際上只需在極少數微小電晶體部分使用氮化鎵，剩餘大部分材料浪費嚴重。Yadav解釋：“我們希望在不犧牲成本或頻寬的前提下，將氮化鎵功能與矽數字晶片性能結合起來。我們的做法是在矽晶片上方直接加入超微小的離散氮化鎵電晶體。”新晶片實現依賴多步驟工藝：首先，在整片氮化鎵晶圓表面製作密集排列的微小電晶體。利用精細雷射技術，將每個電晶體切割至僅包含電晶體自身尺寸，即約240×410微米，形成所謂“晶粒”（dielet）。（1微米等於一百萬分之一米。）每個電晶體表面製備微小銅柱，用於與標準矽CMOS晶片表面的銅柱直接銲接。銅-銅鍵合溫度低於400°C，足以避免損傷兩種材料。金屬成本高且需要更高溫度及更大壓力；此外，金可能污染多數半導體代工廠裝置，需在專用設施中操作。Yadav指出：“我們需要低成本、低溫、低壓力工藝，銅在這些方面均優於金，同時導電性能更好。”專用工具：實現奈米級對準與鍵合為支援該整合流程，團隊開發了一種專用工具，可在奈米級精度下，將極微小的氮化鎵晶粒與矽晶片精確對準並鍵合。該工具通過真空吸持晶粒，在矽晶片表面移動、定位，並借助先進顯微技術監控銅柱介面。當晶粒精確就位後，施加熱和壓力，使氮化鎵電晶體牢固粘接到矽晶片上。Yadav回憶：“在每一步，我都需要找到相應技術的合作者，向他們學習，然後將技術整合到我的平台中。花了兩年時間不斷學習和打磨。”示範：高性能功率放大器完善工藝後，研究團隊利用該方法製作了功率放大器——一種提高無線訊號強度的射頻電路。實驗裝置在頻寬和增益上均超越傳統矽電晶體器件。每個緊湊晶片面積不足0.5平方毫米。此外，所用矽晶片基於Intel 16工藝節點、22奈米FinFET技術，具有先進的金屬互連和被動元件選項，能夠整合諸如中和電容等常見矽電路元件。這顯著提高了放大器增益，更接近下一代無線技術的需求。IBM研究科學家Atom Watanabe（未參與本研究）評論：“為應對摩爾定律在電晶體縮放上的放緩，異質整合已成為實現系統持續擴展、縮小體積、提升功效並最佳化成本的有前景方案。尤其在無線技術領域，將化合物半導體與矽基晶圓緊密整合，對於建構從天線到人工智慧平台的前端積體電路、基帶處理器、加速器和儲存器的統一系統至關重要。這項工作通過展示多片氮化鎵晶片與矽CMOS的三維整合，在當前技術能力之上邁出重要一步。”前景與支援該研究部分由美國國防部通過國防科學與工程研究生獎學金計畫（NDSEG Fellowship Program）及JUMP 2.0項目下的CHIMES中心資助，後者隸屬半導體研究公司（SRC）與國防部及國防高級研究計畫局（DARPA）合作。製造工作在MIT.Nano、美國空軍研究實驗室和佐治亞理工學院設施中完成。由於該整合工藝相容現有流程，不僅可提升當前電子產品性能，還可為未來新興技術奠定基礎。例如，在許多量子計算方案所需的低溫環境下，氮化鎵優於矽，若能通過此方法將氮化鎵器件與數字處理單元結合，或將加速量子應用的發展。這項技術將氮化鎵和矽兩大半導體各自優勢巧妙結合，既克服了GaN高成本與專用工藝限制，又利用成熟CMOS平台，實現性能與規模的平衡。隨著標準化流程的落地推廣，未來我們有望在手機、基站、資料中心甚至量子計算系統中見到更高速、更節能、更緊湊的器件設計。 (MITCEO)

半導體材料是現代科技的先導和基石。從矽（Si）、鍺（Ge），到砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），再到碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN），材料始終是推動產業進步的核心要素。如今，以氧化鎵（Ga₂O₃）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）為代表的新一代半導體材料也開始嶄露頭角，各大企業加緊佈局，單晶生長、外延薄膜等技術突破的消息頻頻湧現，產線建設和產能釋放提上日程。半導體代表性材料進階圖備受矚目的氧化鎵半導體代表性材料進階圖備受矚目的氧化鎵新一代半導體材料與寬禁帶半導體材料的本質區別就是具有更優的物理化學特性，以禁帶寬度為例，新一代半導體材料的帶隙寬度大於3.4eV，遠高於前幾代材料。這一特性使它們能夠在更短的波長下工作，尤其是在深紫外線（UVC）波段（200nm~280nm）的光電器件應用中極具潛力，而氧化鎵就是其中的佼佼者。氧化鎵與其他半導體材料的各項資料對比「氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導體材料，與碳化矽、氮化鎵相比，氧化鎵的禁帶寬度達到了4.9eV，高於碳化矽的3.25eV和氮化鎵的3.4eV，確保了其抗輻照和抗低溫度，可以在高低溫、強的環境下製備了其抗高溫、強的強度等表面高壓下使用，有利於提高載流子收集效率。這些強大的特性使得氧化鎵在功率元件領域展現出巨大的應用潛力。在功率元件應用中，氧化鎵能夠承受更高的電壓，減少能量損耗，提高功率轉換效率。例如，在智慧電網中，使用氧化鎵製成的電力電子裝置可以實現更有效率的電能傳輸和分配，降低電網的能耗；在新能源汽車的充電樁和逆變器中，氧化鎵裝置有望提高充電速度和車輛的能源利用效率。所以業內普遍認為，氧化鎵有望取代碳化矽和氮化鎵成為新一代汽車功率半導體材料的代表。因此，市場對於氧化鎵的渴望愈發強烈，日本企業Novell Crystal Technology（以下簡稱NCT）預測氧化鎵晶圓市場到2030年將擴大到約590億日元規模。市場調查公司富士經濟預測，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將達到1,542億日元，比當下氮化鎵功率元件的規模還要大。中國科學院院士郝躍在接受《中國電子報》採訪時明確指出，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年左右時間，氧化鎵器件會直接與碳化矽和氮化鎵器件競爭。但氧化鎵目前的研發進展還不夠快，仍需不懈努力。氧化鎵晶片技術研發進展緩慢的主要原因在於，氧化鎵的製備還需要解決許多技術問題。大尺寸低缺陷氧化鎵單晶的製備方法以及高表面質量氧化鎵晶片的超精密加工技術，是實現氧化鎵半導體裝置工業應用的主要瓶頸。氧化鎵的熔點很高，在1740℃左右，並且在高溫下具有易分解、易開裂的特點，這使得大尺寸產品的製備難度極高。傳統的製備工藝，如導模法（EFG法）需要在1800℃左右的高溫、含氧環境下進行晶體生長，對生長環境要求極為嚴苛。該工藝需要使用耐高溫、耐氧且不污染晶體的材料製作坩堝，綜合考慮性能和成本，只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。然而，銥的價格昂貴，是黃金的三倍左右，6英吋裝置需要幾公斤的銥，僅坩堝造價就超過600萬，在大規模生產層面限制了裝置數量的擴展。雖然有研究報導了無銥工藝，為降低氧化鎵製備成本帶來了希望，但這些新工藝仍處於探索階段，尚未完全成熟，距離大規模工業化應用還有一段距離。在實際生產中，如何優化這些新工藝，提高晶體生長的品質和穩定性，以及降低生產成本，仍是亟待解決的問題。中國科學院半導體研究所研究員閻建昌向《中國電子報》表示：「散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個弊端，去充分發揮它在功率器件的優勢，是值得關注的發展方向。氧化鎵在器件和產業發展上還有很大的空間，發展的基礎取決於材料本身的發展方向。氧化鎵在器件和產業發展上還有很大的空間，發展的基礎取決於材料本身和製備水平，要實現較低的基礎密度，把產業發展的基礎和密度將因此，氧化鎵研發周期非常漫長。於2015年成立的NCT始終致力於氧化鎵晶體研發，直到2021年6月16日，才在全球首次成功量產以氧化鎵製成的100毫米晶圓，為後續氧化鎵在功率半導體等領域的廣泛應用奠定了基礎。目前，NCT主導了全球90%的氧化鎵單晶襯底市場，且已實現6吋氧化鎵晶圓量產。鎵仁半導體的氧化鎵單晶產品演進圖而中國近幾年的研發進度持續提速，步入全球領先行列。 3月5日，鎵仁半導體採用獨立創新的鑄造法，成功發佈全球首顆氧化鎵8英吋單晶，這一成果標誌著中國成為全球首個掌握8英吋氧化鎵單晶生長技術的國家，打破了大尺寸氧化鎵單晶「日本主導、中美歐追趕」的格局。據理解，鎵仁半導體採用的鑄造法，不僅成功實現了8英吋氧化鎵單晶生長，還能加工出相應尺寸的晶圓襯底，並且可以與現有矽基晶片廠的8英吋生產線相容，降低了生產成本，提高了生產效率。同時，富加鎵業宣佈其氧化鎵MOCVD同質外延技術取得突破，在氧化鎵單晶襯底上生長的同質外延薄膜厚度首次突破10微米，標準化產品將於同年4月正式上市。 2024年9月，其打造的國內首條6吋氧化鎵單晶及外延片生長線在杭州富陽開工建設，預計2025年年初投入使用，未來將實現年產萬片生產規模，進一步推動氧化鎵材料在市場上的供應和應用。除了這兩家企業，中國從事氧化鎵材料和裝置的企業還有北京鎵族科技、蘇州鎵和、蘇州鎵耀等，以及一些開始試水的初創公司，共同促進中國在新一代半導體材料領域提速發展。性能之最金剛石金剛石同樣是一種極具潛力的新一代半導體材料，擁有一系列令人驚嘆的物理特性。西安電子科技大學教授張金風向《中國電子報》指出，金剛石屬於新興的超寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、耐擊穿、載流子遷移率高、熱導率極高、抗輻照等優點。在熱沉、高功率、高頻裝置、光學視窗、量子資訊等領域具有極大應用潛力。具體來看，金剛石的禁帶寬度高達5.45eV，是矽的近三倍，這一特性賦予金剛石卓越的穩定性和可靠性，使其能夠在高溫、高電壓環境下穩定工作。同時，金剛石的熱導率極高，室溫下可達2200W/(m・K)，是矽的13倍，極大地提高了晶片的散熱效率，從而提升了整個電子裝置的性能和穩定性。此外，金剛石還具有高擊穿電場強度，可達10MV/cm以上，使其在高功率、高頻裝置的應用中展現出巨大優勢。這些卓越的性能都是目前已知材料中最高的，讓金剛石成為半導體領域夢寐以求的理想材料，可以滿足未來高功率、強電場和抗輻射等方面的需求。專家表示，金剛石半導體的應用前景極為廣闊，在眾多領域展現出巨大的應用潛力。在電子資訊領域，基於金剛石的高頻、高功率裝置可用於5G和6G通訊基地台，能夠顯著提高訊號傳輸速度和質量，降低能耗。在能源領域，金剛石基功率元件可用於高效能能源轉換和儲存系統，如電動車的電池管理系統和太陽能逆變器，提高能源利用效率。在航空航太領域，金剛石半導體的高穩定性和抗輻射性能使其成為航空航太的關鍵材料，可用於製造高性能雷達、衛星通訊裝置等。此外，在醫療、傳感器等領域，金剛石半導體也具有廣泛的應用前景。大尺寸單晶金剛石生長路線示意圖然而，目前金剛石半導體材料的製備技術難度較高，成本高昂，限制了其大規模應用，亟需在製備過程上取得突破。由於金剛石的生長過程對裝置和工藝要求極高，如何在保證材料品質的前提下，實現高效、低成本的生產，是產業發展亟待解決的問題。此外，金剛石與現有半導體工藝的相容性也需要進一步研究與改進。由於金剛石的物理化學性質與傳統半導體材料有較大差異，如何將其更好地融入現有的半導體製造流程，是金剛石半導體未來應用的關鍵。科學家很早就開啟了對金剛石的開發研究。早在1970年代，美國科學家就開發出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。根據李成明的介紹，近年來金剛石功率電子學在材料和裝置方面均有新的技術突破。在材料方面，採用高溫高壓法製備的單晶金剛石直徑已達20mm，且缺陷密度較低。如果是採用化學氣相沉積(CVD)法，同質外延生長的獨立單晶薄片具有缺陷密度低的特點，最大尺寸可達1英吋；採用「平鋪克隆」晶片的馬賽克拼接技術生長的金剛石晶圓可達2英吋。而採用金剛石異質外延技術的晶圓可達4 吋。如果是低成本的異質外延CVD法，金剛石多晶薄膜的發展和應用已很活躍，晶圓已達8英吋，已可作為導熱襯底，用於新一代GaN功率電子裝置。近年來，中國在金剛石方面的研究也取得了一系列突破。全球人造金剛石產能第一的黃河旋風，憑藉其在高溫高壓法（HPHT）和化學氣相沉積法（CVD）的深厚技術積累，與華為展開深度合作。雙方聯合開發熱導率超2000W/m・K的多晶金剛石熱沉片，該產品主要用於5G基地台和AI晶片散熱，有效解決了高算力裝置在運作過程中的散熱難題。同時，黃河旋風也積極佈局半導體襯底材料研發，致力於在金剛石半導體產業鏈上佔據更有利的位置。器件方面，北方華創作為國內半導體裝置的領導企業，積極佈局新一代半導體材料器件研發，向國內多家研究機構提供用於金剛石等新一代半導體材料的晶體生長裝置。晶體生長裝置是半導體材料產業化的核心裝備，使科研人員能夠精確控制金剛石晶體的生長條件，製備出高品質的金剛石襯底和外延層，為後續金剛石半導體裝置的製造提供了支援。蓄勢待發的氮化鋁氮化鋁也是超寬禁帶半導體材料的重要成員，其禁帶寬度高達6.2eV，能夠在更短的波長下工作，尤其在深紫外光電器件方面具有巨大的應用潛力。同時，氮化鋁擁有高擊穿電場強度，可達15.4MV/cm，能夠承受更高的電壓，在高功率、高壓應用場景中表現優異。此外，氮化鋁的熱導率極高，達到340W/(m∙K)，在散熱方面優勢顯著，能夠有效解決晶片在高功率執行階段的過熱問題，提高電子裝置的穩定性和可靠性。而且，氮化鋁還具備優異的化學和熱穩定性，以及良好的紫外線透過率。氮化鋁陶瓷基板（來源:中瓷電子官網）氮化鋁的應用領域非常廣泛，在電力電子領域，隨著各行業向電氣化邁進，對高效電力轉換與分配系統的需求日益增長。基於氮化鋁的裝置能夠顯著提升電力轉換與分配系統的能源效率。因其超寬帶隙，可實現耐壓大於10千伏特的裝置，有助於減小系統尺寸並增強控制能力。例如，在電網級應用中，氮化鋁襯底僅需15μm厚度即可滿足10kV變電站需求，相較於傳統材料可減少70%體積。美國佐治亞理工大學指出，氮化鋁是下一代柔性智慧電網的首選半導體材料。此外，有報導指出氮化鋁基功率裝置在DC-DC/DC-AC轉換過程中的能耗損失僅是SiC/GaN的八分之一，在新能源車800V高壓平台下，氮化鋁可使電機控製器效率提升5%，還能使太陽能逆變器的系統損耗降低30%。在微波射頻領域，為實現5G通訊、衛星通訊、相控陣雷達等應用所需的頂級性能，需要解決裝置、模組的散熱和高熱邊界問題。基於氮化鋁平台的裝置能在常用的氮化鎵射頻高電子遷移率晶體管（GaN RF HEMT）之間提供低熱邊界電阻，同時具備高體熱導率，可有效解決射頻元件的熱管理難題。預計未來，使用氮化鋁的5G甚至6G基地台的擴大機效率可突破65%，基地台能耗將下降40%，相控陣雷達的功率密度將提升3倍，探測距離增加50%。在航空航太方面，採用氮化鋁材料可使深地探測器在300℃地熱環境中穩定工作超過10萬小時。氮化鋁還能將太空站電源系統的抗輻射能力提升100倍，壽命延長至15年。但氮化鋁同樣在製備高品質的大尺寸單晶和降低位錯密度方面面臨挑戰。一方面，氮化鋁單晶的生長難度較大，製備大尺寸、高品質的單晶基板成本較高。另一方面，相關的裝置設計和製造工藝也需要不斷創新和改進，以充分發揮氮化鋁的性能優勢。由於氮化鋁與傳統半導體材料的物理化學性質存在差異，現有的半導體製造工藝難以直接應用於氮化鋁裝置的生產，需要開發新的工藝和裝置。在科研領域，氮化鋁不斷取得重要突破。德國弗勞恩霍夫整合系統與裝置技術研究所（Fraunhofer IISB）的研究人員透過優化晶體生長工藝，成功製備出低缺陷密度的氮化鋁外延層。基於此外延層製作的氮化鋁肖特基二極體，在測試中展現出高達2200伏的擊穿電壓，且在高電流密度下仍能維持較低的導通電阻，其功率密度相較於傳統碳化矽和氮化鎵基功率開關元件有顯著提升。美國Crystal IS（旭化成全資子公司）已相繼開發出3吋、4吋氮化鋁單晶襯底樣片。中國的奧趨光電技術（杭州）有限公司也取得了顯著成果，分別成功開發出3英吋氮化鋁單晶和超高深紫外光透過率2英吋單晶襯底。除了最具代表性的三大“猛將”，還有另一類新一代半導體材料名為超窄禁帶半導體材料，以銻化鎵（GaSb）、銻化銦（InSb）等為代表，它們的禁帶寬度在零點幾電子伏特（eV）範圍。這類材料的電子容易被激發躍遷，遷移率高，主要應用於紅外探測、雷射等領域。在紅外探測器中，銻化銦憑藉其高電子遷移率和對紅外光的高靈敏度，能夠實現對微弱紅外信號的快速檢測和精確成像，廣泛應用於工業檢測、醫學成像等領域；銻化鎵則在紅外雷射器的製造中發揮重要作用，可用於光通訊、雷射雷達等應用場景，為實現高精度的距離測量和資訊傳輸提供重要作用。整體來看，新一代半導體材料對於半導體產業的發展具有不可估量的重要性，可望突破現有半導體材料的性能瓶頸，滿足未來電子裝置對高性能、高可靠性、低能耗的需求，推動半導體產業向更高層次發展。但新一代半導體目前的研發都面臨著製備工藝不成熟、成本居高不下、與現有半導體製造工藝的相容性差等關鍵難題。而且，由於新一代半導體材料是新興領域，相關的產業鏈配套不完善，原材料供應、裝置製造、裝置封裝測試等環節都存在不足，限制了產業的快速發展。因此，業界應該更重視新一代半導體材料的研發產業化，促進政產學研用金形成合力，加強協同創新，推動產業的發展。 （中國電子報）

2025年3月5日，杭州鎵仁半導體有限公司(以下簡稱“鎵仁半導體”)官宣發佈全球首顆第四代半導體氧化鎵8英吋單晶。鎵仁半導體採用完全自主創新的鑄造法成功實現8英吋氧化鎵單晶生長，並可加工出相應尺寸的晶圓襯底。這一成果，標誌著鎵仁半導體成為國際上首家掌握8英吋氧化鎵單晶生長技術的企業，刷新了氧化鎵單晶尺寸的全球紀錄，也創造了從2英吋到8英吋，每年升級一個尺寸的行業記錄。 鎵仁半導體指出，中國氧化鎵率先進入8英吋時代，具有深遠的產業意義。首先，8英吋氧化鎵能夠與現有矽基晶片廠的8英吋產線相容，這將會顯著加快其產業化應用的步伐；其次，氧化鎵襯底尺寸增大可提升其利用率，降低生產成本，提升生產效率；最後，中國率先突破8英吋技術壁壘，不僅標誌著中國在超寬禁帶半導體領域的技術進步，更為中國氧化鎵產業在全球半導體競爭中搶佔了先機，有力推動中國在全球半導體競爭格局中佔據優勢地位。 圖1 鎵仁半導體8英吋氧化鎵單晶 杭州鎵仁半導體有限公司成立於2022年9月，目前坐落於杭州市蕭山區，是一家專注於氧化鎵等寬禁帶半導體材料及裝置研發、生產和銷售的企業。該公司依託浙江大學矽及先進半導體材料全國重點實驗室、浙江大學杭州國際科創中心，已形成一支以中科院院士楊德仁為首席顧問的研發和生產團隊。其研發團隊開創了鑄造法氧化鎵單晶生長新技術，實現了8英吋單晶生長技術突破，成為國際首家掌握該技術的產業化公司，尺寸指標國際領先；實現了3英吋晶圓級單晶襯底的生產技術突破，為目前國際上已報導的最大尺寸；自主研發了VB法氧化鎵專用單晶生長裝置，不僅能夠滿足氧化鎵生長對高溫和高氧環境的需求，而且能夠進行全自動化晶體生長，減少了人工干預顯著提高了生產效率和晶體質量。