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3nm，是半導(dǎo)體市場的 “熱搜關(guān)鍵詞”。

光刻機(jī)，是眾人爭搶的 “香餑餑”。

第三代半導(dǎo)體，一出現(xiàn)就在資本市場掀起波瀾。

而現(xiàn)在，這類技術(shù)的突破，給半導(dǎo)體賽道開啟新一輪熱潮。

01

全球首顆8英寸氧化鎵單晶，中國造！

今年3月，杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司發(fā)布全球首顆第四代半導(dǎo)體氧化鎵8英寸單晶，刷新了氧化鎵單晶尺寸的全球紀(jì)錄。這一成果，也標(biāo)志著中國氧化鎵率先進(jìn)入8英寸時(shí)代。

鎵仁半導(dǎo)體成立于2022年9月，其創(chuàng)始人張輝來自于浙江大學(xué)，一直深耕晶體生長及半導(dǎo)體材料研究。該項(xiàng)目最早源自于浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

這家公司，在氧化鎵單晶的制備中，已取得頗多成績。

2021年底，鎵仁半導(dǎo)體成功制備1英寸氧化鎵單晶襯底，此后基本上沿著一年一升級的路徑。2022年5月其發(fā)布2英寸氧化鎵襯底，2023年6月發(fā)布4英寸襯底，2024年3月發(fā)布6英寸襯底。

那么，8英寸氧化鎵單晶的問世意味著什么？又有著怎樣的含金量？問世之際，又會帶來哪些驚喜？

在此之前要詳解一下第四代半導(dǎo)體。

02

第四代半導(dǎo)體，追逐焦點(diǎn)

目前，半導(dǎo)體材料已然發(fā)展到第四代。

第一代半導(dǎo)體材料主要是硅、鍺；第二代半導(dǎo)體材料主要是砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）；第三代半導(dǎo)體材料主要是碳化硅（SiC)、氮化鎵（GaN)；第四代半導(dǎo)體材料主要是氧化鎵、金剛石、氮化鋁等超寬禁帶半導(dǎo)體材料，以及銻化鎵、銻化銦等超窄禁帶半導(dǎo)體材料。

這四代半導(dǎo)體材料各有利弊，在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，且各代之間不存在完全取代問題，僅在部分場景實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的替換。

關(guān)于各代半導(dǎo)體的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用：

第一代半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟度較高且具有成本優(yōu)勢，現(xiàn)下廣泛應(yīng)用在電子信息領(lǐng)域及新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中。第一代半導(dǎo)體的缺點(diǎn)是由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制。

第二代半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能,被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域,是制作發(fā)光二極管的關(guān)鍵襯底。主要應(yīng)用在毫米波器件、發(fā)光器件、衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通訊、GPS導(dǎo)航。第二代半導(dǎo)體的缺點(diǎn)是不適用于高功率電路，并且GaAs和InP材料稀缺，價(jià)格昂貴。除此之外，研究稱這類材料會污染環(huán)境，這些缺點(diǎn)使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用有很大的局限性。

因此，更適用于高功率電路領(lǐng)域的第三代半導(dǎo)體應(yīng)運(yùn)而生。

第三代半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件，可廣泛應(yīng)用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領(lǐng)域。目前主要應(yīng)用于射頻通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。第三代半導(dǎo)體的缺點(diǎn)是成本較高、材料生長與制備困難。

值得注意的是，在如今的半導(dǎo)體市場，第三代半導(dǎo)體已然是名副其實(shí)的明星產(chǎn)品。

第四代半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達(dá)到4.9eV，超過第三代半導(dǎo)體材料（寬禁帶半導(dǎo)體材料）的碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV）。更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。

可用于制作透明導(dǎo)電薄膜，廣泛應(yīng)用于平板電視、電子防盜設(shè)備和玻璃幕墻等領(lǐng)域。此外，經(jīng)過改性的氧化鎵納米材料還可用于制作磁存儲器件，提高存儲器的讀取速度和降低噪聲。

據(jù)悉，氧化鎵的導(dǎo)通特性約為SiC的10倍，理論擊穿場強(qiáng)約為SiC 的3倍多。可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。數(shù)據(jù)顯示，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3。

從成本角度來看，相比第三代半導(dǎo)體材料，理論上氧化鎵更有成本優(yōu)勢。據(jù)悉，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為195美元，約為碳化硅材料器件成本的五分之一，與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。此外，氧化鎵的晶圓產(chǎn)線與硅、碳化硅、氮化鎵的差別不大，轉(zhuǎn)換成本不高。

第四代半導(dǎo)體的缺點(diǎn)是由于高熔點(diǎn)、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難，且成本高等。

可以說，各代半導(dǎo)體材料的發(fā)展，是市場需求的驅(qū)動(dòng)。梳理完四代半導(dǎo)體各自的特性以及優(yōu)劣勢后，讓我們再次聚焦上文提出的問題。

03

氧化鎵“長大”，太難了！

上文提到，氧化鎵單晶性能優(yōu)越，可是到目前為止還沒有真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，問題就在于大尺寸氧化鎵單晶的生長技術(shù)一直是全球半導(dǎo)體行業(yè)的難題。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員、浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心研究員金竹表示，氧化鎵高熔點(diǎn)的特性也是它的軟肋，面積越大，制備過程中開裂風(fēng)險(xiǎn)也呈指數(shù)級增加。

因此，讓氧化鎵一點(diǎn)點(diǎn)“長大”是難上加難。

此前，國際上該材料的制備能力只能達(dá)到6英寸。尺寸越小，就意味著成本更高，產(chǎn)業(yè)化的難度也越大。

此次8英寸氧化鎵單晶問世，2寸之差極大降低了成本，具有更優(yōu)秀的晶圓面積利用率，可以和目前硅基晶圓廠的8英寸生產(chǎn)線完全兼容，為氧化鎵單晶走出實(shí)驗(yàn)室、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。據(jù)介紹，8英寸氧化鎵單晶能切割出的小芯片數(shù)量，約為4英寸的四倍。

業(yè)內(nèi)人士指出，作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新成員，氧化鎵單晶有望“點(diǎn)燃”萬億級產(chǎn)業(yè)新賽道。

中國對于氧化鎵等第四代半導(dǎo)體材料的發(fā)展，十分重視。

04

中國企業(yè)/機(jī)構(gòu)，瞄準(zhǔn)氧化鎵

早在2000年左右，國內(nèi)已經(jīng)啟動(dòng)氧化鎵晶體相關(guān)研究。

2021 年發(fā)改委將鎵系寬禁帶半導(dǎo)體材料列為“十四五”戰(zhàn)略性電子材料重點(diǎn)專項(xiàng)。

2022 年科技部將氧化鎵列入“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。

此外，北京、廣東、山西、山東、天津、上海等省市也出臺地方政策支持氧化鎵等第四代半導(dǎo)體發(fā)展。

業(yè)界看好第四代半導(dǎo)體前景，國內(nèi)相關(guān)廠商、高校、科研機(jī)構(gòu)等也頻繁展開相關(guān)研究。相關(guān)高?？蒲袡C(jī)構(gòu)包括：中電科46所、中電13所、西安電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)、中國科技大學(xué)、廈門大學(xué)、鄭州大學(xué)、香港科技大學(xué)等。

企業(yè)方面，近段時(shí)間，除了上文提到的鎵仁半導(dǎo)體，包括銘鎵半導(dǎo)體、富加鎵業(yè)等公司氧化鎵研究傳出新進(jìn)展。

2025年1月，銘鎵半導(dǎo)體運(yùn)用新工藝成功制備了4英吋（010）氧化鎵晶坯，生長厚度達(dá)55mm，加工后可用尺寸為3英吋、厚度高達(dá)40毫米，為進(jìn)一步擴(kuò)大側(cè)切晶體尺寸奠定基礎(chǔ)。

2024年5月，富加鎵業(yè)在氧化鎵領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)模法“一鍵長晶”技術(shù)。2024年12月，由山東大學(xué)陶緒堂教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍世兵教授及西安電子科技大學(xué)周弘教授組織的專家組對富加鎵業(yè)“一鍵長晶”技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場評估，一致認(rèn)為富加鎵業(yè)相關(guān)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了氧化鎵自動(dòng)長晶模式的可行性與穩(wěn)定性，自動(dòng)長晶成品率超過90%。

在2025年3月，富加鎵業(yè)宣布其自主研發(fā)的氧化鎵MOCVD同質(zhì)外延技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，成功在氧化鎵單晶襯底上生長出厚度首次超過10微米的同質(zhì)外延薄膜。

眾所周知，在資本市場中，第三代半導(dǎo)體SiC產(chǎn)業(yè)鏈投融資持續(xù)火熱，2024年總共有44家SiC相關(guān)的企業(yè)獲得了融資。

如今，隨著第四代半導(dǎo)體氧化鎵的風(fēng)頭越來越盛，這一產(chǎn)業(yè)逐漸成為資本追逐的新風(fēng)口。

比如：去年8月，鎵仁半導(dǎo)體獲得近億元Pre-A 輪融資，本輪投資由九智資本領(lǐng)投，普華資本共同投資。今年1月，富加鎵業(yè)宣布完成C輪融資，投資方包括中網(wǎng)投、中贏創(chuàng)投、仁智投資和杭州盛德。

05

日本，暫時(shí)跑在前面

與第三代半導(dǎo)體SiC的應(yīng)用分布類似，氧化鎵的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在襯底，而外延、器件環(huán)節(jié)占比相對較小。

從全球競爭格局來看，日本、美國和中國三國全球領(lǐng)先。其中，日本在襯底—外延—器件等方面的研發(fā)全球領(lǐng)先。

最具代表性的公司是日本的創(chuàng)業(yè)公司Novel Crystal Technology。2021年6月，NCT在全球首次成功量產(chǎn)了4英寸的氧化鎵晶圓。2022年3月，其又使用氫化物氣相外延的方法在6 英寸晶圓上成功外延沉積氧化鎵。NCT表示，將積極推進(jìn)在純電動(dòng)汽車上的功率半導(dǎo)體采用氧化鎵芯片，以替換硅基/碳化硅基芯片，其目標(biāo)是在2025年每年生產(chǎn)2萬片100毫米（4英寸）晶圓。

美國也在十分看好氧化鎵的市場前景，相比日本，美國在器件領(lǐng)域發(fā)展較早，各種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝極大地推動(dòng)了氧化鎵器件的進(jìn)步。

2022年8月，美國商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）對第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石實(shí)施出口管制，認(rèn)為氧化鎵的耐高壓特性在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用對美國國家安全至關(guān)重要。

中國氧化鎵襯底、外延技術(shù)總體與國外差距不大，能夠?qū)崿F(xiàn)材料小批量供應(yīng)，但器件產(chǎn)業(yè)化相對落后。