3nm，是半導(dǎo)體市場(chǎng)的「熱搜關(guān)鍵詞」。

光刻機(jī)，是眾人爭(zhēng)搶的「香餑餑」。

第三代半導(dǎo)體，一出現(xiàn)就在資本市場(chǎng)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。

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(zhǎng)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(jī)。

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(jí)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(huì)帶來哪些驚喜？

在此之前要詳解一下第四代半導(dǎo)體。

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(chǎng)景中存在各自的比較優(yōu)勢(shì)，且各代之間不存在完全取代問題，僅在部分場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shì)，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(chǎng)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(duì)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(huì)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(chǎng)、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(zhǎng)與制備困難。

值得注意的是，在如今的半導(dǎo)體市場(chǎng)，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(chǔ)器件，提高存儲(chǔ)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(chǎng)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(shì)。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(chǎng)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(shì)后，讓我們?cè)俅尉劢股衔奶岢龅膯栴}。

氧化鎵「長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)增加。

因此，讓氧化鎵一點(diǎn)點(diǎn)「長(zhǎng)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(jí)產(chǎn)業(yè)新賽道。

中國對(duì)于氧化鎵等第四代半導(dǎo)體材料的發(fā)展，十分重視。

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(tái)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)高校科研機(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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)富加鎵業(yè)「一鍵長(zhǎng)晶」技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)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(zhǎng)晶模式的可行性與穩(wěn)定性，自動(dòng)長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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。

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(duì)較小。

從全球競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)落后。

氧化鎵，靜等爆發(fā)

據(jù)日本市場(chǎng)調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，到 2025 年氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將超過氮化鎵，到 2030 年全球氧化鎵功率器件市場(chǎng)將達(dá)到 1542 億日元（約 12.2 億美元），達(dá)到碳化硅的 36%，達(dá)到氮化鎵的 1.42 倍。

這也意味著，氧化鎵市場(chǎng)或許會(huì)在不遠(yuǎn)的未來徹底爆發(fā)。

未來，氧化鎵的市場(chǎng)應(yīng)用主要集中在光電探測(cè)器、功率和射頻三個(gè)場(chǎng)景，其中功率器件應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)空間很大。

短期來看，預(yù)計(jì)氧化鎵功率器件將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場(chǎng)率先出現(xiàn)，如消費(fèi)電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域。

長(zhǎng)期來看，氧化鎵功率器件覆蓋 650 伏/1200 伏/1700 伏/3300 伏，預(yù)計(jì) 2025～2030 年將全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域，未來也將在超高壓的氧化鎵專屬市場(chǎng)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，如高壓電源真空管等應(yīng)用領(lǐng)域。

也有業(yè)界人士表示，氧化鎵器件一旦量產(chǎn)，或?qū)⒀杆贀屨夹履茉雌嚨能囕d逆變器、充電機(jī)等市場(chǎng)以及白色家電市場(chǎng)。

不過，盡管氧化鎵優(yōu)勢(shì)眾多，但其產(chǎn)業(yè)化依然面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)之前，還需要研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)翻越重重障礙。