性能强过碳化硅！第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码

《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。

修改了2018年的个别用词，现在虽然国际环境大变，没太多时间修改，先这样了。。。

我是韩国半导体博士，回国985高校教师，个人认为，说半导体几年内干掉韩国纯粹是给自己人希望而已，当然也要看怎么说。下面我简单的分析几点，详细的内容只有上我的课才会说^_^：

半导体产业做的好，最重要的是防震的实验室、高端设备、人才。韩国历史上没有自然灾害，也没地震，自称“上帝是韩国的”，国内难以找到这种地方；就算找到了，高端设备国外对中国禁运，中国能自己研发的话，那国产发动机早比国外牛了；国外的半导体人才都是学生亲自上手做实验，国内因为设备少且质量差，学生还多，所以干脆都是聘的工程师，硕士博士生很难亲自动手，设计的芯片很多都是纸上谈兵，也就搞个理论，真用的话没法用。还有个问题，韩国各大半导体公司基本免费给高校的学生代工，政府按照代工量给他们降税，这样，学生们设计的很复杂的芯片，不想自己动手的（有时一个工序自己做要10个月，最后可能还发现设计失误了），可以拿到与设计高度吻合的便宜芯片（2013年，0.18um工艺，5000元人民币左右），当然，这个政府支持在日本、中国台湾、欧洲都有，但大陆没有。

半导体产业如果真要大力发展，国家要做好既费钱又没成效的阶段，有好的团队且运气好的话，这个阶段大概十年，也就是找到了国外做的并不很好而且自己还有很巧妙可用的idea才行，半导体行业，在产品领域，一种产品基本只有一个公司是挣钱的，剩下的是怀着希望投钱干，但是，十年的过程中，领导2个任期都过了，这个工作没给他产生任何政绩，领导会大力支持么？

个人认为有一个解释方法是可以说马上超过韩国的，那就是中国台湾。韩国半导体卧薪尝胆20多年，终于在2000年后干死了日本，原因是日本地震厉害，实验室的造价是韩国的四倍（韩国的实验室价钱基本与所有设备之和持平），所以日本芯片成本高，被韩国的价格战干死了，临死前，日本首席经济大臣跟韩国进行了谈判，希望保留不到10分之一的半导体芯片公司，让韩国给个生路，因为他们希望技术能够延续下去。韩国答应了，结果日本随手就卖给了台湾，让台湾去报仇，正好赶上在2012年12月，韩国半导体领域发生了一件事，在济州岛开了个半导体全国会议（我也去了，我其实每年都去），这次会议成了一个里程碑，因为这次会上半导体相关的公司、高校、研究所聚在一起讨论了一个问题“10nm以下半导体工艺还继续研究不？”，主要是因为这个尺度量子效应渐渐明显，经典物理基础上的仿真计算都不能保证芯片可靠性了，需要从头研发的内容太多，造价太高，讨论结果是不干了。结果2015年，台积电10nm芯片一出，打了韩国棒子一个响亮的耳光，弯道超车了。当然，这只是工艺部分，在拓扑结构，存储，IC等设计领域，棒子依旧坚挺。

总的来说，希望不能丢，差距还是客观对待。很多科研大佬肯定要这么说，不然国家对这个绝望了的话，怎么给科研经费?反过来讲，科研经费不足，就更不可能追上了，最后芯片成为棒子的暴利产品。所以这些大佬这么说，也是为了国家发展不得已，我们还是要理解、谅解、支持。

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