今年，镓、锗相关产品出口管制引发多只股票涨停，第四代半导体的发展开始显现出希望。
公开资料显示，镓、锗均为新兴战略重点矿产，已被列入国家战略矿产名录。中国的金属矿产储量和出口量均居世界领先地位。 2022年，我国镓产品出口将大幅增长。海关总署数据显示，2022年1月至11月，我国累计出口镓产品89.35吨，比2021年同期增长44.1%。
近期，新能源汽车的强劲需求带动了国内第三代半导体的发展。目前，碳化硅功率器件供不应求。放眼未来两三年的短缺“窗口期”，国内碳化硅（SiC）产业已步入发展快车道。作为第三代半导体，氮化镓（GaN）由于带隙达到3.4eV，因此具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率以及更高的电子饱和率。而其更好的抗辐射性能使其有望在功率器件、射频器件、光电器件等领域取得比碳化硅更好的性能。
美国军方甚至正在依靠氮化镓的特性来有效传输正在开发的最先进雷达的功率。氮化镓还用于替代 RTX 正在建造的爱国者导弹防御系统。
在第三代半导体发展方兴未艾的同时，第四代半导体材料的发展也取得了突破性进展。
01第四代半导体之战
尽管第四代半导体的概念尚未被大众所熟知，但已引起学术界和工业界的广泛关注和热烈讨论。与前三代半导体相比，第四代半导体不仅在材料类型上实现了突破，而且在性能上也实现了质的飞跃。它们凭借独特的物理和化学特性，为解决当前半导体技术面临的诸多挑战提供了新的思路和解决方案。解决方案。
8月12日，发布公告称，出于国家安全考虑，将四项“新兴和基础技术”纳入新的出口管制范围。这四项技术分别是：可耐高温、高压的第四代半导体材料氧化镓和金刚石；专门用于3nm及以下芯片设计的ECAD软件；以及可用于火箭和高超音速系统的压力增益燃烧技术。
除了美国之外，日本经济和产业界也长期向致力于开发新一代低能半导体材料“氧化镓”的民间企业和大学提供资金支持。它已在 2021 年拨出约 2030 万美元的支持资金，并预计在未来 5 年内这样做。每年投资将超过8560万美元。日本经济产业省认为，到 2020 年代末，日本企业将能够开始为数据中心、家用电器和汽车供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳排放。
中国科学院院士郝跃曾表示，氧化镓材料是未来最有可能大放异彩的材料之一。未来10年左右，氧化镓器件很可能成为具有竞争力的电力电子器件，并将与碳化硅器件直接竞争。 。
其发展前景如何？
02第四代半导体的核心优势
第四代半导体包括超宽带隙半导体和超窄带隙半导体。前者包括氧化镓、金刚石、氮化铝，后者包括锑化镓、锑化铟等。从一定时间内技术发展的成熟度来看，氧化镓（Ga2O3）是第四代半导体材料这很可能在未来几年内从实验室实施到工厂。我国一些行业组织认为，氧化镓作为最有可能快速解决产业化技术瓶颈的第四代半导体材料，有望在未来10年内完全取代碳化硅和氮化镓市场，成为我们在芯片半导体领域的优势。
对比碳化硅、氮化镓和氧化镓的理论物理性能可以发现，氧化镓与第三代半导体在“相对优势”上不再互补，而是有望依靠“超宽”带隙（4.2-4.9eV）”、“超高临界击穿场强（8MV/cm）”和“超透明导电性”等优势将在未来取代碳化硅和氮化镓。
简单来说，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，而在相同规格下，宽禁带材料可以制造更小、功率密度更高的器件，节省配套设备。散热和晶圆面积。氧化镓的带隙比碳化硅和氮化镓大得多。在技术产业化成熟度相同的条件下，氧化镓器件更耐高压、耐高温、高功率、耐辐射、成本低。从成本角度来看，目前生产氧化镓的成本60%来自于生产过程中所需的稀有金属铱坩埚。
氧化镓与碳化硅——生产成本比较来源：氧化物电源成本是多少？
应用领域
第四代半导体正以其独特的性能和广阔的应用前景逐步引领技术进步和产业发展。
• 电子和通信
在电子通信领域，第四代半导体凭借优异的性能和能效优势，成为推动行业进步的重要力量。超宽带隙半导体（如金刚石、氧化镓）在高频通信、卫星通信等高速电子应用中具有独特的优势。第四代半导体可以显着提高电子设备的传输速度和信号处理能力，为构建更加高效、稳定的通信网络提供技术支撑。同时，锑化物等超窄带隙半导体在光电探测、红外传感方面的应用也给光通信、光纤传感等领域带来了新的发展机遇。
• 新能源
新能源领域是第四代半导体应用的另一个重要方向。随着全球对可再生能源的需求持续增长，电力电子和储能系统的发展变得至关重要。第四代半导体因其高能效比、耐高温等特点，在电力电子变换器、智能电网、电动汽车等领域发挥着重要作用。第四代半导体可大幅提高能源转换效率、减少能源损耗，有望推动可再生能源的综合应用。此外，基于第四代半导体的新型太阳能电池和光电催化材料也在不断探索，有望在太阳能利用、氢能生产等领域带来新的突破。
• 智能可穿戴设备和柔性电子产品
随着物联网和可穿戴技术的快速发展，市场对智能设备和柔性电子产品的需求日益增长。基于二维材料的柔性电子器件为智能手环、智能手表、植入式医疗器械等产品带来了更加舒适便捷的使用体验。同时，这些材料还具有优异的生物相容性和传感性能，为医疗监测、健康管理等领域的创新应用奠定了基础。
03实现半导体材料国产化
我国科技部将于2022年将氧化镓列入“十四五重点研发计划”。如果我国第一代、第二代半导体材料发展与世界存在明显差距领先水平，那么第四代半导体材料的“国产化”对我们来说是必然的。
今年2月，中国电子技术研究院46所正式宣布，成功制备出我国首个6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平，将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和产业化进程。相关产业的发展。
此外，西安邮电大学宣布在半导体材料领域取得突破，在8英寸硅片上成功制备出高质量氧化镓外延片。这标志着超宽带隙半导体研究取得重要进展。
10月30日，深圳平湖实验室宣布，氧化镓理论研究取得重要进展：利用铑固溶体理论成功研制出新型β相铑镓氧三元宽带隙半导体。
据了解，这一成果主要是为了解决氧化镓价带能级低、p型掺杂困难的问题。此外，成果“-Beta Oxide：新型超宽”已发表在《》杂志上，并受邀提供杂志封面设计。本文也被收录在专题《与在》中。文章第一作者为查贤虎博士，通讯作者为张道华院士，共同作者包括万玉玺主任、李爽副教授。
企业方面，不少国内厂商也早早制定了第四代半导体的规划。比如华新经典。 2021年，华芯晶电在现有磷化铟、碳化硅等第二代、第三代半导体化合物业务的基础上，启动了第四代半导体化合物氧化镓单晶衬底的研发。华新晶电围绕高品质、低缺陷、高加工精度、高透过率，在氧化镓晶体生长、晶体低密度缺陷控制、高效元素掺杂等方面进行深入研究，攻克关键问题。目前，2英寸氧化镓晶体生长良率和低密度缺陷控制已达到国际水平。
10月29日，公司宣布在氧化镓单晶生长技术方面取得重大进展：利用其自主研发的第二代铸造技术成功生长出超厚6英寸氧化镓单晶，厚度为铸锭可达20mm以上。据了解，同直径单晶锭的厚度已达到国际领先水平，是导模（EFG）锭的2-3倍。同时，结合镓半导体超薄衬底加工技术，单晶锭产量可达到原来的3-4倍，单片成本较原来可降低70%以上。另外，增加氧化镓单晶锭的厚度更有利于制备各种晶体取向和斜角的大尺寸衬底（6英寸4度斜角需要约12mm厚的锭）以满足需要不同的下游外延和器件链路。特殊需要。
10月29日，宣布其氧化镓外延片完成横向功率器件验证。
据了解，Fuga 采用分子束外延（MBE）技术开发出高性能氧化镓外延片产品。它采用由无意掺杂层和Sn掺杂层组成的双层外延结构。基板材料是半绝缘的。 (010)铁掺杂氧化镓主要用于横向功率器件。常规产品掺杂层载流子浓度为1--3，迁移率>80 cm2/V·s，表面粗糙度<2 nm。
制备了击穿电压大于2000 V、电流密度为60 mA/mm的横向功率器件，其性能与同类型进口外延片制备的器件相当。
