新一代半導體材料強勢來襲

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。

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。

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。

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）