戍天九思原创第886期
2025年3月5日，杭州镓仁半导体公司采用自主创新的铸造法，发布全球首颗第四代半导体氧化镓8英寸单晶。
▲镓仁半导体8英寸氧化镓单晶
笔者认为，标志着中国成为全球首个掌握8英寸氧化镓单晶生长技术的国家，特别是8英寸氧化镓能与现有硅基芯片厂产线兼容，而且成本低效率高，有利于中国打破国际垄断、掌握第四代半导体革命的主动权。
▲镓仁半导体氧化镓单晶尺寸快速演进
中国打破大尺寸氧化镓单晶国际垄断意义重大
氧化镓作为第四代超宽禁带半导体材料，具有高击穿场强（8 MV/cm）、宽禁带（4.6-4.8 eV）、低电阻损耗等特性，是高压、高温、高功率器件的理想选择。其击穿电场强度是硅的10倍，击穿电压可达1200V以上，耐压强度是碳化硅5倍，氧化镓制造成本仅为碳化硅的1/3。但是，大尺寸高质量单晶生长技术一直是瓶颈。
当前，全球氧化镓芯片发展呈现“日本主导、中美欧追赶”的格局。日本在产业化上遥遥领先，欧美聚焦高端研发，中国通过政策扶持和科研突破加速缩小差距。日本NCT公司长期主导全球90%的氧化镓单晶衬底市场，且已实现6英寸晶圆量产。美国康奈尔大学研发的氧化镓SBD击穿电压达2890V、纽约州立大学开发出8000V耐压晶体管，美国已将氧化镓列入对华出口管制清单，限制高纯度材料的供应。
中国成功制备8英寸单晶，标志着在关键材料制备上突破“卡脖子”技术。此前，中电科46所、浙江大学等实现6英寸单晶突破；江苏师范大学团队通过“两步法”技术控制薄膜缺陷，降低了碳杂质和成本；中国科学院上海微系统所开发的钽酸锂异质集成晶圆技术，为国产光电芯片奠定基础；中国电科46所、西安邮电大学等科研机构还与北京铭镓、杭州镓仁等企业形成“基础研究—中试—量产”协同体系。这些重大进展有助于我国构建从材料到器件的完整产业链。
氧化镓在新能源汽车、电网、军事等领域应用潜力巨大。氧化镓的高功率密度和耐高温特性，可显著提高电磁轨道炮、全电舰艇推进、雷达等装备性能。氧化镓雷达可将对F-22、F-35的探测距离提升至400公里，使其隐身能力“失效”。
第四代半导体将重塑全球战略格局
半导体技术代际演进深刻重塑现代工业体系，一代芯片技术成就一代现代工业体系，引发先进芯片革命。
第一代半导体（硅/锗）——筑就电子工业的基石。1958年硅基芯片的诞生，实现从真空管到晶体管的跨越，引发集成电路革命，推动计算机小型化，催生PC机、手机、GPS导航、卫星电话等消费电子产业，成就美国硅谷崛起，英特尔、台积电等企业主导芯片制造，半导体成为现代工业的“石油”。
第二代半导体（砷化镓/磷化铟）——成为高频通信引擎。砷化镓、磷化铟等半导体实现高频、高速传输，支撑2G/3G网络和光纤通信，加速手机普及和卫星、雷达升级，提升全球信息实时化水平。特别是砷化镓和磷化铟加速激光技术进步，使激光切割精度从0.1毫米提高到0.001毫米，光刻机波长缩短97%，先进芯片制程从微米级跨入纳米级。美国靠着领先的芯片技术，不仅通过控制阿斯麦光刻机和台积电芯片制程而拥有全球芯片霸权，而且军事上遥遥领先。
第三代半导体（碳化硅/氮化镓）——重构能源工业经济模式。碳化硅、氮化镓宽禁带特性，突破硅材料的高温、高压瓶颈，大幅降低能量损耗。新能源汽车电机控制器体积缩小70%，电能损耗降低60%，续航提升20%；800V高压充电桩将充电时间从8小时压至15分钟。风电变流器效率突破99%，可再生能源发电成本首度低于火电，电网消纳能力提升5倍，城市电网负载率降低四成。5G基站功耗下降40%，加速5G落地和快充普及，工业从此进入一个连螺丝钉都能互联云端的物联网时代。中国因5G技术、新能源汽车和新型相控阵雷达技术领先，即将成为第三代半导体的最大受益者。
第四代半导体（氧化镓/金刚石）——探索极端场景的未来钥匙。氧化镓超高击穿场强、金刚石极限热导率，瞄准超高压与极端环境应用。氧化镓器件可承受万伏级电压，推动电网损耗降低至0.1%以下（传统硅基器件约2%）。金刚石基芯片耐辐射、耐高温（＞500℃），适用于航天器电源与核反应堆控制系统。金刚石支撑高精度磁传感器，误差低于0.1纳米，助力量子计算机研发。第四代材料将重塑能源、航天与量子科技，但需10-15年突破工程化瓶颈。
总之，芯片材料的代际跃迁不仅是技术迭代，也是重塑全球战略格局的推手，更是工业文明的阶梯——从信息时代的底层支撑，迈向未来极端环境与超高效能的新边疆。
当前，正处于第三代半导体大规模应用与第四代技术突破的交汇期。虽然第三代材料仍是市场主力，但是第四代处于从实验室到产业化的“黎明前夜”。谁最先掌握第四代半导体技术并实现产业化，谁就掌握着百年变局的主动权主导权。
