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第四代半導體，初露鋒芒
今年，鎵、鍺相關物出口管制觸發多股漲停，第四代半導體發展初露鋒芒。
公開資料顯示，鎵和鍺都是新興的戰略關鍵礦產，都已被列入國家戰略礦產名錄中。兩種金屬礦產無論是在儲量或出口上，中國均在全球佔據領先地位。 2022 年中國鎵產品的出口數量大幅增加。海關總署數據表明，2022 年1 至11 月，中國累計出口鎵產品89.35 噸，比2021 年同期增加44.1%。
日前，新能源車需求的旺盛帶動了中國第三代半導體的發展。眼下，碳化矽功率裝置正面臨供不應求的境況。瞅準未來兩三年短缺的“窗口期”，中國碳化矽（SiC）產業駛入了發展快車道。而同作為第三代半導體的氮化鎵（GaN）因其禁帶寬度達到3.4eV，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優的抗輻照能力，使得其在功率元件、射頻元件、光電元件領域可望超越碳化矽實現更優性能。
美國軍方甚至依靠氮化鎵的特性來有效傳輸開發中的最先進雷達的功率。氮化鎵也被用於RTX 正在製造的愛國者(Patriot)飛彈防禦系統的替代品。
在第三代半導體發展方興未艾之際，第四代半導體材料的發展也獲得了突破性進展。
01.第四代半導體之爭
第四代半導體，這一概念雖尚未被大眾所熟知，但卻已在學術界和產業界引起了廣泛的關注和熱議。與前三代半導體相比，第四代半導體不僅在材料種類上實現突破，更在性能上實現質的飛躍，以獨特的物理和化學性質，為解決當前半導體技術面臨的諸多挑戰提供全新的思路和解決方案。
8月12日，美國商務部工業與安全局（BIS）發佈公告，表示出於國家安全考慮，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鑽石；專門用於3nm及以下晶片設計的ECAD軟體；可用於火箭和高超音速系統的壓力增益燃燒技術。
除了美國，日本經濟產業很早就為致力於開發新一代低能耗半導體材料「氧化鎵」的私人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，並預計未來5年的投資額將超過8,560萬美元。日本經濟產業認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為資料中心、家用電器和汽車供應基於氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的矽材料，每年將減少1,440萬噸的二氧化碳排放。
中國科學院院士郝躍曾表示，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10年左右，氧化鎵裝置有可能成為有競爭力的電力電子裝置，會直接與碳化矽元件競爭。
它到底有怎樣的發展前景呢？
02.第四代半導體的核心優勢
第四代半導體包括超寬禁帶半導體和超窄禁帶半導體，前者包括氧化鎵、鑽石、氮化鋁，後者如銻化鎵、銻化銦等。從一定時期內的技術發展成熟度來看，氧化鎵（Ga 2 O 3）是最可能在未來幾年內，實現從實驗室到工廠的第四代半導體材料。中國部分產業機構認為，作為第四代半導體材料中最可能快速解決產業化技術瓶頸的氧化鎵，預計在未來10年內完全取代碳化矽和氮化鎵市場，並成為我們在晶片半導體領域的優勢。
比較碳化矽、氮化鎵和氧化鎵的理論物理性能，能夠發現，氧化鎵與第三代半導體不再是「相對優勢」的互補關係，而是有望憑藉著「超寬帶隙（4.2-4.9eV） 」、「超高臨界擊穿場強（8MV/cm）」和「超強透明導電性」等優勢，在未來取代碳化矽和氮化鎵。
簡單來說，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，且在同等規格下，寬禁帶材料可以製造更小、功率密度更高的裝置，節省配套散熱和晶圓面積。氧化鎵比碳化矽和氮化鎵的禁帶寬度大很多，在同等技術產業化技術成熟度的條件下，氧化鎵裝置更耐高壓、耐高溫、高功率、抗輻照、低成本。從成本角度來看，目前生產氧化鎵的成本的60%來自於生產過程中所需的稀有金屬銥坩堝。
氧化鎵vs.碳化矽－制取成本對比來源：How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?
應用領域
第四代半導體以其獨特的性能和廣泛的應用前景，正逐步引領科技進步和產業發展。
• 電子與通訊
在電子通訊領域，第四代半導體以其卓越的性能和能源效率比優勢，成為推動產業進步的重要力量。超寬禁帶半導體(如鑽石和氧化鎵)在高頻通訊、衛星通訊等高速電子應用獨具優勢。第四代半導體可顯著提升電子裝置的傳輸速度與訊號處理能力，為建置更有效率、更穩定的通訊網路提供技術保障。同時，超窄禁帶半導體如銻化物在光電探測與紅外線感測的應用，也為光通訊、光纖感測等領域帶來新的發展機會。
• 新能源
新能源領域是第四代半導體應用的另一個重要方向。隨著全球對再生能源需求的不斷增長，電力電子元件和能源儲存系統的發展成為了關鍵。第四代半導體以其高能效比和耐高溫特性，在電力電子轉換器、智慧電網、電動車等領域佔有重要地位。第四代半導體可大幅提升能源轉換效率，降低能源損失，可望促成再生能源的全面應用。此外，基於第四代半導體的新型太陽能電池和光電催化材料也不斷探索中，預計將為太陽能利用和氫能生產等領域帶來新的突破。
• 智慧穿戴與柔性電子
隨著物聯網和穿戴式技術的快速發展，智慧設備和柔性電子產品的市場需求日益增長。基於二維材料的柔性電子裝置為智慧手環、智慧手錶、可置入醫療設備等產品引進更舒適、便利的使用體驗。同時，這些材料也具備優異的生物相容性和感測性能，為醫療監測、健康管理等領域的創新應用奠定了基礎。
03.半導體材料中國化落地
中國科技部於2022年將氧化鎵列入“十四五重點研發計劃”，如果說中國在第一二代半導體材料的發展上和世界領先水平存在這明顯的差距，那第四代半導體材料“中國化」我們勢在必得。
今年2月，中國電科46所正式宣布，成功製備出中國首顆6吋氧化鎵單晶，達到國際最高水平，將強力支撐中國氧化鎵材料實用化進程及相關產業發展。
另外西安郵電大學宣佈在半導體材料領域取得了突破，成功在8英寸矽片上製備出了高品質的氧化鎵外延片，這標誌著在超寬禁帶半導體研究上取得重要進展。
10月30日，深圳平湖實驗室發佈在氧化鎵理論研究方面取得重要進展：採用銠固溶方式理論成功發展出新型β相銠鎵氧三元寬禁帶半導體。
據了解，這項成果主要針對解決氧化鎵價帶能階低和p-型摻雜困難等問題。此外，該成果「Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors」已在《Advanced Electronic Materials》期刊上發表並受邀提供期刊封面設計。該文章也被收錄到《Progress and Frontiers in Ultrawide bandgap Semiconductors》專題。文章第一作者為查顯弧博士，通訊作者為張道華院士，共同作者包括萬玉喜主任和李爽副教授。
企業方面，許多中國廠商也在第四代半導體上提早佈局。例如華芯晶電。 2021年在已有的磷化銦、碳化矽等第二代、第三代半導體化合物業務的基礎上，華芯晶電啟動了第四代半導體化合物氧化鎵單晶基板的研發。圍繞著高品質、低缺陷、高加工精度、高透過率等方面，華芯晶電進行了深入研究，在氧化鎵晶體生長、晶體低密度缺陷控制、高效元素摻雜等方面進行了攻關，目前2 吋氧化鎵晶體生長良率、低密度缺陷控制均達到國際水準。
10月29日，杭州鎵仁半導體有限公司宣佈在氧化鎵單晶生長技術方面取得了顯著進展：成功利用自主研發的第二代鑄造法技術生長出超厚6吋氧化鎵單晶，晶錠厚度可達20mm以上。據了解，在同等直徑下單晶晶錠厚度達到國際領先，是導模法（EFG）晶錠厚度的2-3倍。同時，結合鎵仁半導體的超薄基板加工技術，單一晶錠出片量可達到原有的3-4倍，單片成本較原來可降低70%以上。此外，提高氧化鎵單晶晶錠厚度，更有利於製備各種晶向以及斜切角度的大尺寸襯底（6吋4度斜切需要約12mm厚晶錠）滿足下游不同外延和裝置環節的特殊需求。
10月29日，杭州富加鎵業科技有限公司宣布，旗下氧化鎵外延片完成MOSFET橫向功率元件驗證。
據了解，富加鎵業利用分子束外延技術（MBE）開發了高性能的氧化鎵外延片產品，採用非故意摻雜層與Sn摻雜層複合的雙層外延結構，基板材料為半絕緣型（010）Fe摻雜氧化鎵，主要應用於橫向功率元件。常規產品摻雜層載子濃度為1-4E17cm -3 ，遷移率＞80 cm 2 /V·s，表面粗糙度＜2 nm。
製備了擊穿電壓大於2000 V、電流密度為60 mA/mm的MOSFET橫向功率元件，與進口同類型外延片製備元件性能相當。(半導體產業縱橫)