全球竞速！第四代半导体，破晓时刻

当宽禁带半导体（碳化硅、氮化镓）已在新能源汽车、5G通信等领域大放异彩时，一场围绕下一代半导体材料的全球竞赛已悄然打响。以氧化镓、金刚石及氮化铝为代表的超宽禁带半导体材料，凭借其更宽的禁带、更高的击穿场强以及更低的导通损耗，正逐渐从实验室走向产业化。

01 金刚石半导体材料

金刚石的物理特性突出，室温下间接带隙禁带宽度为5.5eV，是硅的近3倍，稳定性和可靠性极高；室温下热导率达2200W/(m∙K)，是硅的13倍，能极大提升芯片散热效率，保障电子设备性能稳定；击穿电场强度超过10MV/cm，在高功率、高频率器件应用中优势明显，是综合性能最优的理想材料之一。

金刚石半导体的应用前景极为广阔。

功率电子领域：金刚石可用于制造高电压、大电流的功率开关器件，如金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等；

射频通信领域：金刚石基的高频晶体管可以用于5G乃至未来6G通信中的基站和移动终端设备，提升通信系统的整体性能；

光电器件领域：金刚石可用于制造深紫外发光二极管（LED）和激光二极管（LD），或用于制造高性能的光电探测器，检测紫外线、X射线等高能射线；

量子领域：基于独特的量子特性，金刚石还可以实现量子计算、量子通信和量子传感等方面的应用。

对于单晶金刚石材料，拼接生长及异质外延两种方案在近几年均实现了2英寸及以上晶圆的突破，成为CVD法制备大尺寸金刚石单晶的主流方法。

图源：元素六

当前，随着AI算力竞争愈发激烈，芯片及功率器件的集成度和功率密度持续提升，局部热量集中、散热效率不足及热循环可靠性等问题日益突出，金刚石凭借顶级导热性能，正引领全球算力散热技术革新。根据中泰证券，2026年全球AI芯片用金刚石散热片，市场大约87亿元人民币，到2030年能涨到592亿元，年复合增长率超过50%。

海外Element Six早已推出CVD金刚石热沉片和金刚石铜复合材料，直接锁定AI、HPC、GaN射频器件；Sankyo Diamond、ILJIN Diamond在工具、热管理、半导体基板上全面开花。

国内企业依托超硬材料的功底，正在往半导体级方向加速转型。今年2月，黄河旋风8英寸金刚石热沉片生产线正式落成，直接切入AI芯片散热和功率半导体赛道。另外，四方达、力量钻石、惠丰钻石、国机精工、沃尔德等企业也在全力布局金刚石功能材料及在散热领域的应用。

“散热只是金刚石产业升级的起点，而非终点。”哈尔滨工业大学朱嘉琦教授表示，未来十年，行业将彻底摆脱材料内卷，依托超高纯度、超稳定性能，切入量子科技、航天极端工况、高端半导体器件等战略赛道，完成从“传统材料”到“战略核心元器件”的终极蜕变。

当前金刚石材料产业化面临着一些挑战，如高成本、加工难度、晶圆尺寸扩展困难等。与典型的硅基产业链相比，金刚石的加工周期更长、设备投入更高，导致单片成本居高不下。与此同时，材料与器件之间的耦合特性使得标准化生产难以快速推进，还需要更多的协作研发和工艺积累。

02氧化镓半导体材料

与碳化硅、氮化镓相比，氧化镓的禁带宽度达到4.9eV，高于碳化硅的3.25eV和氮化镓的3.4eV，确保了其抗辐照和抗高温能力，可以在高低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质；而其高击穿场强的特性则确保了制备的氧化镓器件可以在超高电压下使用，有利于提高载流子收集效率。

氧化镓半导体材料在电力电子器件如场效应晶体管、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极、LED基板、信息存储器、气敏传感器、光催化等领域中展现出巨大的应用前景。

Ga2O3单晶可以通过多种熔体法制备，包括浮区法、提拉法、导模法、垂直布里奇曼法、铸造法、冷坩埚法等。导模法、铸造法、提拉法需要用到昂贵的铱坩埚，Ga2O3大规模商用化发展可能会受到成本的限制；而垂直布里奇曼法、冷坩埚法、浮区法不需要用到昂贵的铱坩埚，单晶生长成本预计会大幅下降。

在全球氧化镓产业格局中，多极竞争与差异化发展已成为鲜明特征。

日本凭借二十余年的技术积淀稳居领跑地位。以NCT、FLOSFIA为代表的企业在晶圆尺寸升级、器件结构创新及成本控制技术上持续突破，形成了从材料到器件的完整专利布局，NCT在今年交付了150毫米（6英寸）晶圆样品。

我国展现出强劲的追赶势头与系统化布局能力。从镓仁半导体全球首发8英寸单晶，到富加镓业万片产线投产，中国在衬底尺寸迭代、自主技术研发及全链条整合上已形成独特优势。在今年3月，富加镓业宣布成功制备出12英寸氧化镓（Ga2O3）单晶，刷新了全球氧化镓单晶尺寸的最高纪录，富加镓业也成为国际上首家掌握12英寸氧化镓单晶生长技术的企业。

12英寸氧化镓单晶（直径305mm），图源：富加镓业

中国科学院郝跃院士曾指出，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来的10年左右时间，氧化镓器件会直接与碳化硅和氮化镓器件竞争。但氧化镓目前的研发进度还不够快，仍需不懈努力。

当前，大尺寸低缺陷氧化镓单晶的制备方法以及高表面质量氧化镓晶片的超精密加工技术，是实现氧化镓半导体器件工业应用的主要瓶颈。

03 氮化铝半导体材料

氮化铝禁带宽度高达6.2eV，同时具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高化学和热稳定性，及高导热、抗辐射等优异性能，因此氮化铝是紫外/深紫外LED、紫外LD最佳衬底材料，也是高功率、高频电子器件理想衬底材料。此外，氮化铝具有优良的压电性、高的声表面波传播速度和较高的机电耦合系数，是GHz级声表面波器件的优选压电材料。

目前，主要有两种方法用于生长氮化铝（AlN）单晶：物理气相传输法（PVT）和氢化物气相外延（HVPE）。

国际上，美国Hexa Tech公司实现了高质量2英寸AlN单晶衬底的小规模量产能力。日本旭化成株式会社旗下的美国Crystal IS公司在2023年实现了直径为100 mm的AlN单晶衬底的批量生产，这些衬底的可用面积达到99%；2024年发布4英寸单晶AlN衬底。

长期以来，氮化铝单晶衬底核心技术主要掌握在海外企业手中，并受到长期出口限制。我国相关产业发展一度面临材料供应受限的问题。直到奥趋光电成功实现2英寸氮化铝单晶晶圆小批量生产，使中国成为继美国之后第二个具备该能力的国家，填补了国内产业空白。未来，奥趋光电计划还将继续推进4英寸、6英寸氮化铝晶圆研发。

图源：奥趋光电

氮化铝在制备高质量的大尺寸单晶和降低位错密度方面面临挑战。一方面，氮化铝单晶的生长难度较大，制备大尺寸、高质量的单晶衬底成本较高；另一方面，相关的器件设计和制造工艺也需要不断创新和改进，以充分发挥氮化铝的性能优势。

04 相关政策密集落地

首先是国家"十五五"规划，“新产业新赛道培育发展”专栏明确提出要“加快宽禁带半导体产业提质升级，推动氧化镓、金刚石等超宽禁带半导体产业化发展”。这一国家级战略部署，为第四代半导体材料的发展注入了强劲动力。

在各地方，湖北省十五五规划纲要新兴产业壮大工程栏提出要加快氮化镓、氧化镓、金刚石等化合物半导体技术创新及成果转化；

浙江省十五五规划将氧化镓、金刚石、碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料列为新一代半导体领域的重点发展方向；

今年7月，中国（上海）自由贸易试验区临港新片区管理委员会正式发布《第四代半导体未来产业集聚区建设行动方案（2026—2028年）》，这是国内首个聚焦第四代半导体产业发展的地方专项政策，方案明确将金刚石、氧化镓、氮化铝等列为超宽禁带半导体核心材料，并围绕材料、器件、封装、应用等产业链关键环节提出系统性发展目标和重点任务。

小结

半导体产业的迭代始终以材料突破为核心驱动力，当前，以氧化镓、金刚石、氮化铝为代表的第四代半导体材料已从基础研究逐步迈向产业化初期，在大尺寸材料制备、核心器件研发、产业链构建等方面取得一系列突破性进展，开启了半导体产业的全新赛道，同时，政策与资本的双重加持也为产业发展注入了强劲动力。

参考来源：

[1]郝跃：宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展

[2]中国电子报.何为“第四代半导体”？

[3]赵璐冰等：超宽禁带半导体材料发展现状与展望

[4]粉体网、财联社、半导体行业观察、富加镓业、杭州经信、象牙财经