前言

當(dāng)今世界科技角力日趨激烈，材料科學(xué)已成為大國(guó)戰(zhàn)略博弈的核心陣地。

公眾普遍熟知稀土是“工業(yè)維生素”，但真正牽動(dòng)全球神經(jīng)的，是比稀土更為稀有、更具顛覆潛力的第四代半導(dǎo)體材料——它正成為新一輪技術(shù)制高點(diǎn)爭(zhēng)奪戰(zhàn)的焦點(diǎn)所在。

氧化鎵、金剛石等前沿材料展現(xiàn)出卓越的物理特性與工程適配性，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在加速重塑全球高科技產(chǎn)業(yè)版圖。

依托得天獨(dú)厚的礦產(chǎn)稟賦與持續(xù)加碼的技術(shù)攻堅(jiān)，中國(guó)已在該賽道實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，具備主導(dǎo)下一代半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)路徑的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

中國(guó)在第四代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的全面領(lǐng)跑，是否會(huì)重新定義未來十年全球科技競(jìng)爭(zhēng)的基本范式？

第四代半導(dǎo)體材料

提及稀土，多數(shù)人腦海中浮現(xiàn)的是智能手機(jī)揚(yáng)聲器里的釹鐵硼磁體，或是新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)中的永磁組件。

誠(chéng)然，從折疊屏鉸鏈到5G基站濾波器，從風(fēng)電變流器到高端醫(yī)療影像設(shè)備，稀土元素已深度嵌入現(xiàn)代工業(yè)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

被冠以“工業(yè)維生素”美譽(yù)的稀土資源，對(duì)尖端制造與數(shù)字基建的支撐作用早已深入人心。

不過，一個(gè)正在加速浮現(xiàn)的事實(shí)是：全球高科技主戰(zhàn)場(chǎng)正悄然轉(zhuǎn)向一類更難獲取、更難提純、更難替代的戰(zhàn)略新材料——第四代半導(dǎo)體材料。而中國(guó)，正以系統(tǒng)性優(yōu)勢(shì)站上這場(chǎng)資源與技術(shù)雙重競(jìng)速的潮頭。

氧化鎵、金剛石等典型代表材料，不僅擁有突破5eV量級(jí)的超寬禁帶寬度和優(yōu)異熱穩(wěn)定性，更兼具超高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、極低導(dǎo)通電阻及近乎理想的功率轉(zhuǎn)換效率。

相較傳統(tǒng)硅基器件與第二代碳化硅方案，這些新型半導(dǎo)體在高頻高壓場(chǎng)景下的綜合性能躍升顯著，工作溫區(qū)拓寬近200℃，能耗降幅可達(dá)40%以上。

其中，氧化鎵單晶材料的禁帶寬度實(shí)測(cè)達(dá)4.8eV，較碳化硅高出約35%，其理論功率密度極限為硅的120倍，實(shí)際運(yùn)行功耗僅為硅基器件的1/49。

但這類材料的天然豐度極為有限，稀缺性遠(yuǎn)超稀土家族整體水平。

以關(guān)鍵輔料銻為例，它是合成高純度氧化鎵晶體與金剛石襯底不可或缺的催化劑與摻雜源，而其地殼平均含量?jī)H6.5×10??，不足鋰元素的1%，堪稱“金屬中的稀世孤品”。

更值得關(guān)注的是，全球具備經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的含銻礦物種類僅有7種，且集中分布于少數(shù)地質(zhì)構(gòu)造帶，資源可采率不足探明儲(chǔ)量的30%。業(yè)內(nèi)因此將其譽(yù)為“礦產(chǎn)界的活化石”。

面對(duì)這一現(xiàn)實(shí)，美、歐、日、韓等主要經(jīng)濟(jì)體均已將銻列入《關(guān)鍵原材料清單》，啟動(dòng)國(guó)家級(jí)儲(chǔ)備計(jì)劃，并加快海外資源并購(gòu)節(jié)奏。

對(duì)中國(guó)而言，坐擁全球最完整銻資源譜系與最成熟冶煉體系，意味著在全球第四代半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中握有不可復(fù)制的戰(zhàn)略支點(diǎn)。

中國(guó)資源優(yōu)勢(shì)

在銻資源全球格局中，中國(guó)的主導(dǎo)地位具有壓倒性優(yōu)勢(shì)。

依據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）2024年度報(bào)告，全球已探明銻儲(chǔ)量總計(jì)222.5萬(wàn)噸，其中中國(guó)儲(chǔ)量達(dá)67萬(wàn)噸，占比穩(wěn)定在30.1%，居世界第一。

這意味著，未來十年全球新增氧化鎵產(chǎn)能所需的銻原料，每三噸就有一噸必須來自中國(guó)供應(yīng)渠道。

這種結(jié)構(gòu)性資源優(yōu)勢(shì)，為中國(guó)構(gòu)建自主可控的第四代半導(dǎo)體材料生態(tài)提供了底層保障。

資源之外，中國(guó)在核心技術(shù)攻關(guān)方面同樣實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)突破，正由“跟跑者”向“并跑者”乃至“領(lǐng)跑者”加速轉(zhuǎn)變。

長(zhǎng)期以來，日本在氧化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)上保持領(lǐng)先，東芝、羅姆等企業(yè)曾公開規(guī)劃于2027年前量產(chǎn)8英寸氧化鎵襯底；歐美則聚焦金剛石外延生長(zhǎng)與缺陷控制等基礎(chǔ)難題。

令人振奮的是，中國(guó)科研力量與產(chǎn)業(yè)界協(xié)同發(fā)力，在多個(gè)維度打破技術(shù)封鎖，部分指標(biāo)已實(shí)現(xiàn)反超。

杭州鎵仁半導(dǎo)體公司成功拉制出直徑達(dá)200毫米（8英寸）的高質(zhì)量氧化鎵單晶錠，晶體位錯(cuò)密度低于5×103 cm?2，良率達(dá)到82%，較日本原定時(shí)間表提前三年實(shí)現(xiàn)工程化驗(yàn)證。

這項(xiàng)里程碑式成果不僅刷新了全球氧化鎵材料尺寸紀(jì)錄，更標(biāo)志著我國(guó)首次掌握大尺寸氧化鎵晶體生長(zhǎng)的完整熱力學(xué)模型與工藝閉環(huán)，徹底擺脫對(duì)進(jìn)口襯底的依賴。

在上游精煉環(huán)節(jié)，富加鎵業(yè)等龍頭企業(yè)已建成全球首條6英寸氧化鎵晶圓全流程中試線，覆蓋從粗銻提純、高純Ga?O?合成、晶體生長(zhǎng)到晶圓加工全鏈條。

截至目前，相關(guān)技術(shù)已獲中美日歐四地發(fā)明專利授權(quán)63項(xiàng)，主導(dǎo)制定IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案2項(xiàng)，實(shí)質(zhì)性掌握了該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)與專利許可定價(jià)權(quán)。

第四代半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用

隨著材料制備工藝趨于成熟、成本曲線持續(xù)下移，第四代半導(dǎo)體正從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化商用，其賦能效應(yīng)正快速滲透至國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)。

尤其在新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏儲(chǔ)能、航空航天及高端雷達(dá)系統(tǒng)五大戰(zhàn)略性領(lǐng)域，氧化鎵與金剛石器件正展現(xiàn)出傳統(tǒng)材料難以企及的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，電動(dòng)汽車補(bǔ)能效率仍是制約用戶接受度的核心瓶頸，主流車型快充峰值功率普遍卡在250kW以下，充滿需耗時(shí)35分鐘以上。

搭載氧化鎵功率模塊的新一代車載充電機(jī)（OBC）與牽引逆變器，可將系統(tǒng)電壓平臺(tái)提升至1200V—1500V區(qū)間，配合液冷散熱設(shè)計(jì)，峰值充電功率突破600kW，實(shí)現(xiàn)“5分鐘補(bǔ)能300公里”的實(shí)用化目標(biāo)。

這一跨越不僅極大緩解用戶里程焦慮，更將推動(dòng)超充網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提速，為交通領(lǐng)域深度脫碳注入強(qiáng)勁動(dòng)能。

在智能電網(wǎng)側(cè)，氧化鎵基固態(tài)變壓器與柔性換流閥已進(jìn)入國(guó)家電網(wǎng)示范工程階段。

其開關(guān)損耗降低68%，體積縮小45%，可在-40℃至+150℃寬溫域內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

初步測(cè)算表明，若全國(guó)輸配電系統(tǒng)中15%的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)替換為氧化鎵器件，年均可減少線路損耗電量約280億千瓦時(shí)，相當(dāng)于少建一座百萬(wàn)千瓦級(jí)火電廠。

而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，采用氧化鎵材料的微型逆變器與組串式MPPT控制器，使系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率提升2.3個(gè)百分點(diǎn)，全生命周期發(fā)電量增加約9%，顯著增強(qiáng)光伏電站投資回報(bào)率。

國(guó)防與航天應(yīng)用層面，氧化鎵材料的獨(dú)特屬性正催生新一代裝備能力躍升。

其抗總劑量輻射能力達(dá)1×10? rad(Si)，耐高溫閾值超過600℃，特別適用于星載相控陣?yán)走_(dá)T/R組件、高超音速飛行器熱管理芯片及深空探測(cè)電源管理系統(tǒng)。

某型新一代預(yù)警機(jī)已完成氧化鎵射頻前端模塊裝機(jī)測(cè)試，探測(cè)距離提升27%，多目標(biāo)跟蹤通道數(shù)增加40%，為構(gòu)建全域感知體系提供硬核支撐。

這些突破性應(yīng)用不僅拓展了技術(shù)邊界，更將推動(dòng)終端產(chǎn)品向更高集成度、更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性、更低全周期成本方向演進(jìn)，深刻影響未來城市運(yùn)行、能源治理與國(guó)家安全形態(tài)。

展望未來，隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)在氧化鎵晶體尺寸、金剛石異質(zhì)外延、缺陷工程等核心方向持續(xù)取得原創(chuàng)性成果，疊加產(chǎn)業(yè)鏈話語(yǔ)權(quán)由制造端向標(biāo)準(zhǔn)端、專利端、生態(tài)端縱深延伸，中國(guó)在全球半導(dǎo)體材料格局中的樞紐地位將進(jìn)一步強(qiáng)化。

與此同時(shí)，第四代半導(dǎo)體所激發(fā)的乘數(shù)效應(yīng)，將持續(xù)催化電力電子、人工智能硬件、量子傳感等交叉領(lǐng)域創(chuàng)新裂變，成為驅(qū)動(dòng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的核心引擎。

可以確定的是，這張凝聚資源稟賦、制度優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新活力的“超級(jí)王牌”，不僅將改寫半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的游戲規(guī)則，更將為中國(guó)式現(xiàn)代化提供堅(jiān)實(shí)可靠的科技底座與戰(zhàn)略支點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

第四代半導(dǎo)體材料的規(guī)?；绕?，象征著人類信息基礎(chǔ)設(shè)施正式邁入寬禁帶時(shí)代。

伴隨中國(guó)在資源掌控力、工程轉(zhuǎn)化力與標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)力三個(gè)維度的同步躍升，我國(guó)正從全球半導(dǎo)體價(jià)值鏈的參與者成長(zhǎng)為重要塑造者與規(guī)則共建者。

這既是一場(chǎng)硬科技實(shí)力的集中檢驗(yàn)，更是中國(guó)突破關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人困局、構(gòu)建安全韌性科技生態(tài)的歷史性跨越。