什么是第四代半导体器件?

第四代半导体材料：以氧化镓(Ga2O3)为代表

作为新型的宽禁带半导体材料，氧化镓（Ga2O3）由于自身的优异性能，凭借其比第三代半导体材料SiC和GaN更宽的禁带，在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究。

氧化镓是一种宽禁带半导体，禁带宽度Eg=4.9eV，其导电性能和发光特性良好，因此，其在光电子器件方面有广阔的应用前景，被用作于Ga基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。

第四代半导体的发展背景

随着量子信息、人工智能等高新技术的发展，半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。虽然前三代半导体技术持续发展，但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。

此背景下，人们将目光开始转向拥有小体积、低功耗等优势的第四代半导体。第四代半导体具有优异的物理化学特性、良好的导电性以及发光性能，在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。

目前具有发展潜力成为第四代半导体技术的主要材料体系主要包括：窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体；超宽带隙的氧化物材料；其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。

【中国在未来几年内，半导体制造能力能否超越美国？】

美国的王牌是坚实的基础科研技术累积，堆成山的实用专利，掌握话语权的核心专利，至今没有停下脚步的研发投入，汇聚了引领全球发展的 科技 巨头为何要担心中国 科技 的崛起，毕竟许多关键技术绕不开美国专利。

“突起的异军”华为海思自身还没有开发出自研架构，而是使用着授权架构，并没有打破他们的基础垄断优势，但被美国视为眼中钉，2019年营收达到了24亿美元约156亿人民币，独占亚洲IC设计鳌头！华为海思拥有优秀的芯片设计竞争能力——不是“苗头破土”，而是已经“并驾齐驱”。

是因为中国在 科技 新兴领域里非常有干劲？

工艺制程掘进3nm领域被称为是“接近硅晶圆的极限”，而目前所有关于芯片的尖端技术都是基于硅基芯片研发，也就是说要么保持在一定程度继续使用，要么换材料，碳基半导体材料被誉为下一代芯片的接替者，不巧的是碳领域的开发，中国在部分科研成果上已领先其他国家。

据悉：2020年我国集成电路销售收入达到8848亿元，平均增长率达到20%，为同期全球产业增速的3倍。巨大的市场需求和效益回报对技术创新有很大的促进作用；也使得在设计、制造、封测等产业链上也涌现出一批新的龙头企业！

据日经亚洲评论报道：【美国总统拜登于本月初签署一项行政命令，与中国台湾、日本和韩国等合作，以加快建立不依赖中国大陆的芯片和其他具有战略意义的产品的供应链的努力。】

直指全球高端芯片制造设备——更进一步拉拢尼康、佳能、ASML全球三大光刻机大厂！ASML约占75%、尼康和佳能各自占10%左右，三者合计的市占率逼近 95%，这个占比可以说直接垄断了高端芯片的生产制造。

美国长远的担心是【中国在未来几年内，半导体制造能力会超越美国。】要知道《瓦森纳协定》从来没有消失所以要使先进的工艺制程阻挡在中国以外，半导体制造的技术能力会再一次被拉开数年的差距，从而导致中国发展高端制程技术停滞！这是有前车可鉴的：上海微电子90nm光刻机初次试产就遭遇国外45nm光刻机被允许进口，现成先进设备的冲击下导致经过13年的时间国产光刻机仍停留在90nm阶段。

无论硅晶半导体材料的工艺技术是否能与新的碳基半导体材料通用，高端芯片生产的设备研发能力都是需要庞大的技术累积和众多技术工程师去打造，那么以全球前三的光刻机生产商势必在下一代芯片材料上有足够的设备研发能力，这是一记强硬的“地基式”支撑！

2019年川普对华为施加强硬政策限制，企图将中国的先进半导体业务止步于此。这也暗示着半导体产业是引领世界经济发展的重要关键；进入5G物联网通信和AI时代的来临，虚拟现实技术、自动驾驶 汽车 还是工业4.0，都以半导体为驱动；

而接下来不仅是芯片制造业的竞争，更是人才争夺竞赛——据悉：美国或出新政策打算直接为STEM类的博士PhD发放美国绿卡！不得不说这是一剂强有力的“剂量”将带去全球性的潜在人才资源【拜登认为，在美国攻读博士学位的国际毕业生应该直接拿到美国绿卡…】

培养人才抓紧人才，这招“真狠”！

《科创板日报》（上海，研究员 何律衡）讯， 近期，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波 科技 股回暖的热潮，引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时，在该领域走在全球前列的日本，却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

在此基础上，第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构，且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点，被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中，碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛，前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，已在新能源 汽车 的电源管理中有所应用，后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等，在近十年才被应用于功率半导体方向，继而引发全球研发的热潮。

研究表明，氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件；击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出，氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用，其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动 汽车 和光伏太阳能系统。

不过，氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道，今年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄，将用于制造更小、更高效的电子系统，用在电动 汽车 、机车和飞机上，用于控制和转换电子，同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外，从全球范围来看，日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家，同样具备竞争优势。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、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1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上，日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手，”该行业的一位专家向媒体表示，“一旦氧化镓成功商业化，将适用于许多领域，因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国，尽管起步较晚，但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道，在去年举行的全国 科技 活动周上，北京镓族 科技 公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外，中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶，其宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

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