半導體材料是現(xiàn)代科技的先導和基石。從硅（Si）、鍺（Ge），到砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），再到碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN），材料始終是推動產業(yè)進步的核心要素。如今，以氧化鎵（Ga?O?）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）為代表的新一代半導體材料也開始嶄露頭角，各大企業(yè)加緊布局，單晶生長、外延薄膜等技術突破的消息頻頻涌現(xiàn)，產線建設和產能釋放提上日程。

半導體代表性材料進階圖

備受矚目的氧化鎵

半導體代表性材料進階圖備受矚目的氧化鎵新一代半導體材料與寬禁帶半導體材料的本質區(qū)別就是具有更加優(yōu)異的物理化學特性，以禁帶寬度為例，新一代半導體材料的帶隙寬度大于3.4eV，遠高于前幾代材料。這一特性使它們能夠在更短的波長下工作，尤其是在深紫外（UVC）波段（200nm~280nm）的光電器件應用中極具潛力，而氧化鎵就是其中的佼佼者。

氧化鎵與其他半導體材料的各項數(shù)據(jù)對比

“氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導體材料，與碳化硅、氮化鎵相比，氧化鎵的禁帶寬度達到了4.9eV，高于碳化硅的3.25eV和氮化鎵的3.4eV，確保了其抗輻照和抗高溫能力，可以在高低溫、強輻射等極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性質；而其高擊穿場強的特性則確保了制備的氧化鎵器件可以在超高電壓下使用，有利于提高載流子收集效率?！北本┛萍即髮W新材料技術研究院教授李成明向《中國電子報》介紹道。

這些強大的特性使得氧化鎵在功率器件領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。在功率器件應用中，氧化鎵能夠承受更高的電壓，減少能量損耗，提高功率轉換效率。例如，在智能電網中，使用氧化鎵制成的電力電子器件可以實現(xiàn)更高效的電能傳輸和分配，降低電網的能耗；在新能源汽車的充電樁和逆變器中，氧化鎵器件有望提高充電速度和車輛的能源利用效率。所以業(yè)內普遍認為，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代汽車功率半導體材料的代表。

因此，市場對于氧化鎵的渴望愈發(fā)強烈，日本企業(yè)Novell Crystal Technology（以下簡稱NCT）預測氧化鎵晶圓市場到2030年將擴大到約590億日元規(guī)模。市場調查公司富士經濟預測，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將達到1542億日元，比當下氮化鎵功率元件的規(guī)模還要大。

中國科學院院士郝躍在接受《中國電子報》采訪時明確指出，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右時間，氧化鎵器件會直接與碳化硅和氮化鎵器件競爭。但氧化鎵目前的研發(fā)進度還不夠快，仍需不懈努力。

氧化鎵芯片技術研發(fā)進度緩慢的主要原因在于，氧化鎵的制備還需要解決很多技術難題。大尺寸低缺陷氧化鎵單晶的制備方法以及高表面質量氧化鎵晶片的超精密加工技術，是實現(xiàn)氧化鎵半導體器件工業(yè)應用的主要瓶頸。氧化鎵的熔點很高，在1740℃左右，并且在高溫下具有易分解、易開裂的特點，這使得大尺寸產品的制備難度極高。傳統(tǒng)的制備工藝，如導模法（EFG法）需要在1800℃左右的高溫、含氧環(huán)境下進行晶體生長，對生長環(huán)境要求極為苛刻。該工藝需要使用耐高溫、耐氧且不污染晶體的材料制作坩堝，綜合考慮性能和成本，只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。然而，銥的價格昂貴，是黃金的三倍左右，6英寸設備需要幾公斤的銥，僅坩堝造價就超過600萬，在大規(guī)模生產層面限制了設備數(shù)量的擴展。

雖然有研究報道了無銥工藝，為降低氧化鎵制備成本帶來了希望，但這些新工藝仍處于探索階段，尚未完全成熟，距離大規(guī)模工業(yè)化應用還有一段距離。在實際生產中，如何優(yōu)化這些新工藝，提高晶體生長的質量和穩(wěn)定性，以及降低生產成本，仍是亟待解決的問題。

中國科學院半導體研究所研究員閆建昌向《中國電子報》表示：“散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個弊端，去充分發(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢，是值得關注的發(fā)展方向。氧化鎵在器件和產業(yè)發(fā)展上還有很大的空間，發(fā)展的基礎取決于材料本身和制備水平，要實現(xiàn)更低的缺陷密度，把材料的優(yōu)勢和潛力充分發(fā)掘出來，是超寬禁帶技術和產業(yè)發(fā)展的基礎?！?/p>

因此，氧化鎵研發(fā)周期非常漫長。于2015年成立的NCT始終致力于氧化鎵晶體研發(fā)，直到2021年6月16日，才在全球首次成功量產以氧化鎵制成的100毫米晶圓，為后續(xù)氧化鎵在功率半導體等領域的廣泛應用奠定了基礎。目前，NCT主導了全球90%的氧化鎵單晶襯底市場，且已實現(xiàn)6英寸氧化鎵晶圓量產。

鎵仁半導體的氧化鎵單晶產品演進圖

而我國近幾年的研發(fā)進度持續(xù)提速，步入全球領先行列。3月5日，鎵仁半導體采用獨立創(chuàng)新的鑄造法，成功發(fā)布全球首顆氧化鎵8英寸單晶，這一成果標志著中國成為全球首個掌握8英寸氧化鎵單晶生長技術的國家，打破了大尺寸氧化鎵單晶“日本主導、中美歐追趕”的格局。據(jù)了解，鎵仁半導體采用的鑄造法，不僅成功實現(xiàn)了8英寸氧化鎵單晶生長，還能加工出相應尺寸的晶圓襯底，并且可以與現(xiàn)有硅基芯片廠的8英寸生產線兼容，降低了生產成本，提高了生產效率。

同時，富加鎵業(yè)宣布其氧化鎵MOCVD同質外延技術取得突破，在氧化鎵單晶襯底上生長的同質外延薄膜厚度首次突破10微米，標準化產品將于同年4月正式上市。2024年9月，其打造的國內首條6英寸氧化鎵單晶及外延片生長線在杭州富陽開工建設，預計2025年年初投入使用，未來將實現(xiàn)年產萬片生產規(guī)模，進一步推動氧化鎵材料在市場上的供應和應用。

除了這兩家企業(yè)，我國從事氧化鎵材料和器件的企業(yè)還有北京鎵族科技、蘇州鎵和、蘇州鎵耀等，以及一些開始試水的初創(chuàng)公司，共同促進我國在新一代半導體材料領域提速發(fā)展。

性能之最金剛石

金剛石同樣是一種極具潛力的新一代半導體材料，擁有一系列令人驚嘆的物理特性。

西安電子科技大學教授張金風向《中國電子報》指出，金剛石屬于新興的超寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、耐擊穿、載流子遷移率高、熱導率極高、抗輻照等優(yōu)點。在熱沉、大功率、高頻器件、光學窗口、量子信息等領域具有極大應用潛力。

具體來看，金剛石的禁帶寬度高達5.45eV，是硅的近三倍，這一特性賦予金剛石卓越的穩(wěn)定性和可靠性，使其能夠在高溫、高電壓環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時，金剛石的熱導率極高，室溫下可達2200W/(m?K)，是硅的13倍，極大地提高了芯片的散熱效率，從而提升了整個電子設備的性能和穩(wěn)定性。此外，金剛石還具有高擊穿電場強度，可達10MV/cm以上，這使其在高功率、高頻率器件的應用中展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。這些卓越的性能都是目前已知材料中最高的，讓金剛石成為半導體領域夢寐以求的理想材料，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求。

專家表示，金剛石半導體的應用前景極為廣闊，在眾多領域都展現(xiàn)出巨大的應用潛力。在電子信息領域，基于金剛石的高頻、高功率器件可用于5G和6G通信基站，能夠顯著提高信號傳輸速度和質量，降低能耗。在能源領域，金剛石基功率器件可用于高效能源轉換和存儲系統(tǒng)，如電動汽車的電池管理系統(tǒng)和光伏逆變器，提高能源利用效率。在航空航天領域，金剛石半導體的高穩(wěn)定性和抗輻射性能使其成為航空航天的關鍵材料，可用于制造高性能雷達、衛(wèi)星通信設備等。此外，在醫(yī)療、傳感器等領域，金剛石半導體也具有廣泛的應用前景。

大尺寸單晶金剛石生長路線示意圖

然而，目前金剛石半導體材料的制備技術難度較高，成本高昂，限制了其大規(guī)模應用，亟需在制備工藝上取得突破。由于金剛石的生長過程對設備和工藝要求極高，如何在保證材料質量的前提下，實現(xiàn)高效、低成本的生產，是產業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。此外，金剛石與現(xiàn)有半導體工藝的兼容性也需要進一步研究和改進。由于金剛石的物理化學性質與傳統(tǒng)半導體材料存在較大差異，如何將其更好地融入現(xiàn)有的半導體制造流程，是金剛石半導體未來應用的關鍵。

科學家們很早就開啟了對金剛石的開發(fā)研究。早在20世紀70年代，美國科學家就開發(fā)出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。

根據(jù)李成明的介紹，近年來金剛石功率電子學在材料和器件方面均有新的技術突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學氣相沉積(CVD)法，同質外延生長的獨立單晶薄片具有缺陷密度低的特點，最大尺寸可達1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術生長的金剛石晶圓可達2英寸。而采用金剛石異質外延技術的晶圓可達4 英寸。如果是低成本的異質外延CVD法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應用已很活躍，晶圓已達8英寸，已可作為導熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。

近年來，我國在金剛石方面的研究也取得了一系列突破。全球人造金剛石產能第一的黃河旋風，憑借其在高溫高壓法（HPHT）和化學氣相沉積法（CVD）的深厚技術積累，與華為展開深度合作。雙方聯(lián)合開發(fā)熱導率超2000W/m?K的多晶金剛石熱沉片，該產品主要用于5G基站和AI芯片散熱，有效解決了高算力設備在運行過程中的散熱難題。同時，黃河旋風還積極布局半導體襯底材料研發(fā)，致力于在金剛石半導體產業(yè)鏈上占據(jù)更有利的位置。

設備方面，北方華創(chuàng)作為國內半導體設備的領軍企業(yè)，積極布局新一代半導體材料設備研發(fā)，向國內多家研究機構提供用于金剛石等新一代半導體材料的晶體生長設備。晶體生長設備是半導體材料產業(yè)化的核心裝備，使科研人員能夠精確控制金剛石晶體的生長條件，制備出高質量的金剛石襯底和外延層，為后續(xù)金剛石半導體器件的制造提供了支持。

蓄勢待發(fā)的氮化鋁

氮化鋁也是超寬禁帶半導體材料的重要成員，其禁帶寬度高達6.2eV，能夠在更短的波長下工作，尤其在深紫外光電器件方面具有巨大的應用潛力。同時，氮化鋁擁有高擊穿電場強度，可達15.4MV/cm，能夠承受更高的電壓，在高功率、高壓應用場景中表現(xiàn)出色。此外，氮化鋁的熱導率極高，達到340W/(m?K)，在散熱方面優(yōu)勢顯著，能夠有效解決芯片在高功率運行時的過熱問題，提高電子設備的穩(wěn)定性和可靠性。而且，氮化鋁還具備出色的化學和熱穩(wěn)定性，以及良好的紫外透過率。

氮化鋁陶瓷基板（來源:中瓷電子官網）

氮化鋁的應用領域非常廣泛，在電力電子領域，隨著各行業(yè)向電氣化邁進，對高效電力轉換與分配系統(tǒng)的需求日益增長。基于氮化鋁的器件能夠顯著提升電力轉換與分配系統(tǒng)的能源效率。因其超寬帶隙，可實現(xiàn)耐壓大于10千伏的器件，有助于減小系統(tǒng)尺寸并增強控制能力。例如，在電網級應用中，氮化鋁襯底僅需15μm厚度即可滿足10kV變電站需求，相比傳統(tǒng)材料可減少70%體積。美國佐治亞理工大學指出，氮化鋁是下一代柔性智能電網的首選半導體材料。此外，有報道稱氮化鋁基功率器件在DC-DC/DC-AC轉換過程中的能耗損失僅是SiC/GaN的八分之一，在新能源汽車800V高壓平臺下，氮化鋁可使電機控制器效率提升5%，還能使光伏逆變器的系統(tǒng)損耗降低30%。

在微波射頻領域，為實現(xiàn)5G通信、衛(wèi)星通訊、相控陣雷達等應用所需的頂尖性能，需要解決器件、模組的散熱和高熱邊界問題。基于氮化鋁平臺的器件能在常用的氮化鎵射頻高電子遷移率晶體管（GaN RF HEMT）之間提供低熱邊界電阻，同時具備高體熱導率，可有效解決射頻器件的熱管理難題。預計未來，使用氮化鋁的5G甚至6G基站的功放效率可突破65%，基站能耗將下降40%，相控陣雷達的功率密度將提升3倍，探測距離增加50%。

在航空航天方面，采用氮化鋁材料可以使深地探測器在300℃地熱環(huán)境中穩(wěn)定工作超過10萬小時。氮化鋁還能將空間站電源系統(tǒng)的抗輻射能力提升100倍，壽命延長至15年。

但氮化鋁同樣在制備高質量的大尺寸單晶和降低位錯密度方面面臨挑戰(zhàn)。一方面，氮化鋁單晶的生長難度較大，制備大尺寸、高質量的單晶襯底成本較高。另一方面，相關的器件設計和制造工藝也需要不斷創(chuàng)新和改進，以充分發(fā)揮氮化鋁的性能優(yōu)勢。由于氮化鋁與傳統(tǒng)半導體材料的物理化學性質存在差異，現(xiàn)有的半導體制造工藝難以直接應用于氮化鋁器件的生產，需要開發(fā)新的工藝和設備。

在科研領域，氮化鋁不斷取得重要突破。德國弗勞恩霍夫集成系統(tǒng)與器件技術研究所（Fraunhofer IISB）的研究人員通過優(yōu)化晶體生長工藝，成功制備出低缺陷密度的氮化鋁外延層?；谠撏庋訉又谱鞯牡X肖特基二極管，在測試中展現(xiàn)出高達2200伏的擊穿電壓，且在高電流密度下仍能保持較低的導通電阻，其功率密度相較于傳統(tǒng)碳化硅和氮化鎵基功率開關器件有顯著提升。

美國Crystal IS（旭化成全資子公司）已相繼開發(fā)出3英寸、4英寸氮化鋁單晶襯底樣片。我國的奧趨光電技術（杭州）有限公司也取得了顯著成果，分別成功開發(fā)出3英寸氮化鋁單晶和超高深紫外光透過率2英寸單晶襯底。

除了最具代表性的三大“猛將”，還有另一類新一代半導體材料名為超窄禁帶半導體材料，以銻化鎵（GaSb）、銻化銦（InSb）等為代表，它們的禁帶寬度在零點幾電子伏特（eV）范圍。這類材料的電子容易被激發(fā)躍遷，遷移率高，主要應用于紅外探測、激光器等領域。在紅外探測器中，銻化銦憑借其高電子遷移率和對紅外光的高靈敏度，能夠實現(xiàn)對微弱紅外信號的快速檢測和精確成像，廣泛應用于工業(yè)檢測、醫(yī)學成像等領域；銻化鎵則在紅外激光器的制造中發(fā)揮重要作用，可用于光通信、激光雷達等應用場景，為實現(xiàn)高精度的距離測量和信息傳輸提供支持。

總體來看，新一代半導體材料對于半導體行業(yè)的發(fā)展具有不可估量的重要性，有望突破現(xiàn)有半導體材料的性能瓶頸，滿足未來電子設備對高性能、高可靠性、低能耗的需求，推動半導體行業(yè)向更高層次發(fā)展。但新一代半導體目前的研發(fā)都面臨著制備工藝不成熟、成本居高不下、與現(xiàn)有半導體制造工藝的兼容性差等關鍵難題。而且，由于新一代半導體材料是新興領域，相關的產業(yè)鏈配套不完善，原材料供應、設備制造、器件封裝測試等環(huán)節(jié)都存在不足，制約了產業(yè)的快速發(fā)展。因此，業(yè)界應該更加重視新一代半導體材料的研發(fā)和產業(yè)化，促進政產學研用金形成合力，加強協(xié)同創(chuàng)新，推動產業(yè)的發(fā)展。