四川
小清發(fā)現(xiàn)，一提到半導(dǎo)體高端材料，很多人第一反應(yīng)還是 "中國落后、需要追趕"。
這話放在過去或許沒錯，但在第四代半導(dǎo)體這個全新賽道上，局面已經(jīng)徹底反轉(zhuǎn)了。
曾經(jīng)我們在硅基芯片上被卡脖子幾十年，如今在氧化鎵領(lǐng)域，我們和半導(dǎo)體老牌強(qiáng)國日本站在了同一起跑線，甚至在某些關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了反超。
這場沒有硝煙的材料戰(zhàn)爭，將直接決定未來新能源汽車、智能電網(wǎng)、航天航空等萬億級產(chǎn)業(yè)的話語權(quán)。
今天，小清就帶大家看看，中國是如何在氧化鎵這條賽道上實(shí)現(xiàn)彎道超車的。
很多人可能對氧化鎵這個名字還很陌生，但它的厲害程度，絕對超出你的想象。
半導(dǎo)體材料發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了四代更迭：第一代是我們最熟悉的硅，現(xiàn)在絕大多數(shù)芯片都是用硅做的；第二代是砷化鎵，主要用在通信領(lǐng)域；第三代是現(xiàn)在很火的碳化硅和氮化鎵，已經(jīng)開始在新能源汽車上大規(guī)模應(yīng)用。
而氧化鎵，就是第四代半導(dǎo)體中最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的 "明星材料"。
氧化鎵最牛的地方，在于它天生就具備兩項(xiàng)碾壓前三代材料的物理特性。
首先是它的禁帶寬度高達(dá) 4.9eV，比碳化硅的 3.2eV 寬了一半還多，更是硅的 4 倍多。
這是什么概念呢？簡單來說，禁帶越寬，材料能承受的電壓就越高，越不容易被擊穿。
用氧化鎵做的功率器件，能輕松承受 1200 伏甚至更高的電壓，這意味著未來新能源汽車的電壓平臺可以從現(xiàn)在的 800 伏直接提升到 1200 伏以上，充電速度會迎來質(zhì)的飛躍。
有專家測算過，如果用氧化鎵器件做充電樁，7 分鐘就能把一輛電動車從 20% 充到 80%，比現(xiàn)在的快充快了 4 倍多。
其次是它的 "巴爾加優(yōu)值" 達(dá)到了驚人的 3444，這是衡量功率器件性能的核心指標(biāo)，和材料擊穿場強(qiáng)的三次方成正比。
氧化鎵的這個數(shù)值是碳化硅的 10 倍、氮化鎵的 4 倍。
這意味著在相同的耐壓條件下，氧化鎵器件的導(dǎo)通損耗只有碳化硅的十分之一，電能轉(zhuǎn)換效率高得離譜。
舉個例子，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心每年要消耗全國用電量的 2% 以上，如果把里面的硅基功率器件全部換成氧化鎵器件，能耗能直接降低 80%，一年能省下幾千億度電。
當(dāng)然，氧化鎵也不是完美無缺的，它最大的短板就是熱導(dǎo)率極低，散熱非常困難，這也是制約它工程化應(yīng)用的最大難題。
不過這個問題已經(jīng)有了解決方案，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)最近就取得了重大突破，他們將材料間的 "島狀" 連接轉(zhuǎn)化為原子級平整的 "薄膜"，使芯片的散熱效率獲得了飛躍性提升。
另外，通過將氧化鎵與金剛石等高導(dǎo)熱材料鍵合，也能有效解決散熱問題。
正是因?yàn)檠趸売兄绱司薮蟮膽?yīng)用前景，全球各國都在瘋狂布局，其中走在最前面的就是中國和日本，形成了罕見的 "雙雄對峙" 格局。
日本憑借在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域幾十年的深厚積累，起步更早，工藝更成熟；而中國則依靠舉國體制的優(yōu)勢和完整的產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了后來居上。
在最核心的襯底工藝方面，日本曾經(jīng)長期占據(jù)領(lǐng)先地位，他們的 EFG 法（導(dǎo)模法）商業(yè)化路線非常穩(wěn)定，產(chǎn)品的國際認(rèn)可度也很高。
但就在最近一個月，中國連續(xù)取得了兩項(xiàng)震驚全球的突破。
3 月 23 日，杭州鎵仁半導(dǎo)體宣布成功制備出全球首片 8 英寸氧化鎵同質(zhì)外延片，平均厚度達(dá)到 13.05 微米，厚度均勻性優(yōu)異。
僅僅 4 天后，3 月 27 日，富加鎵業(yè)又宣布在國際上首次成功制備出 12 英寸氧化鎵單晶，直接刷新了全球氧化鎵單晶尺寸的最高紀(jì)錄。
這兩項(xiàng)突破意味著什么呢？簡單來說，晶圓尺寸越大，單片能切割的芯片數(shù)量就越多，成本也就越低。
從 4 英寸到 8 英寸，成本能降低 75%；從 8 英寸到 12 英寸，成本還能再降低一半以上。
而且 12 英寸晶圓可以無縫導(dǎo)入現(xiàn)有的成熟硅基芯片生產(chǎn)線，極大地降低了下游廠商的設(shè)備投資和產(chǎn)線切換成本。
在外延技術(shù)方面，日本的同質(zhì)外延技術(shù)確實(shí)非常深厚，尤其在功率器件領(lǐng)域積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。
但中國的大尺寸外延進(jìn)展速度更快，完全跟上了襯底尺寸的發(fā)展步伐。
杭州鎵仁半導(dǎo)體的 8 英寸同質(zhì)外延片就是最好的證明，這是全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)如此大尺寸的同質(zhì)外延生長。
在異質(zhì)外延方面，日本在今年年初宣布率先實(shí)現(xiàn)了 β 型氧化鎵在硅襯底上的異質(zhì)生長，這確實(shí)是一項(xiàng)前沿突破。
但中國也沒有落后，我們在非 β 相氧化鎵的異質(zhì)生長上有自己獨(dú)特的研究，產(chǎn)業(yè)化路徑更加多樣化。
比如鎵創(chuàng)未來半導(dǎo)體就專注于異質(zhì)外延技術(shù)路線，通過在碳化硅、藍(lán)寶石、硅等成熟商業(yè)化襯底上生長氧化鎵，將材料成本降低了 10 倍以上。
在產(chǎn)業(yè)鏈方面，日本的優(yōu)勢在于技術(shù)專利布局早，功率半導(dǎo)體生態(tài)完整，下游應(yīng)用也很成熟。
但中國的優(yōu)勢更加明顯：首先是政策支持力度大，國家 "十五五" 規(guī)劃綱要明確提出要 "推動氧化鎵、金剛石等超寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化發(fā)展"，北京、廣東、浙江等多個省市也出臺了專項(xiàng)支持政策；
其次是內(nèi)需市場巨大，我們擁有全球最大的新能源汽車市場、最大的智能電網(wǎng)和最大的數(shù)據(jù)中心市場，這為氧化鎵的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了得天獨(dú)厚的條件；
最后是產(chǎn)業(yè)鏈響應(yīng)迅速，從襯底制備到外延生長，再到器件制造和封裝測試，中國已經(jīng)形成了完整的氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈，各個環(huán)節(jié)都有優(yōu)秀的企業(yè)在發(fā)力。
未來三到五年，將是氧化鎵產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵窗口期，誰能率先實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，誰就能占據(jù)市場主導(dǎo)地位。
成本將是決定勝負(fù)的最關(guān)鍵因素，氧化鎵有一個天生的優(yōu)勢，就是它是當(dāng)前唯一可用熔體法制備的寬禁帶材料，而碳化硅和氮化鎵都需要用昂貴的氣相生長法制備，生產(chǎn)周期長、能耗高、良率低。
這意味著氧化鎵的成本下降潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳化硅和氮化鎵，有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，一旦氧化鎵實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，成本將降到碳化硅的三分之一以下。
現(xiàn)在中國在大尺寸襯底方面已經(jīng)取得了領(lǐng)先優(yōu)勢，接下來只要在控制缺陷、提升良率方面繼續(xù)突破，就能把成本優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為市場優(yōu)勢。
應(yīng)用牽引的差異，也將導(dǎo)致中日兩國走上不同的產(chǎn)業(yè)化道路，日本憑借在工業(yè)、汽車功率模塊上的傳統(tǒng)優(yōu)勢，可能會優(yōu)先聚焦于高壓高性能領(lǐng)域，比如工業(yè)電源、軌道交通等。
而中國則會依靠新能源汽車、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等龐大的內(nèi)需市場，快速形成規(guī)?；瘧?yīng)用循環(huán)，用市場拉動技術(shù)迭代。
比如在新能源汽車領(lǐng)域，中國的車企對新技術(shù)的接受度非常高，一旦氧化鎵器件的性能和成本達(dá)到要求，就能迅速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模裝車。
這種 "應(yīng)用反哺技術(shù)" 的模式，正是中國在很多高科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車的秘訣。
技術(shù)融合能力也將成為重要的競爭點(diǎn)，前面我們提到過，氧化鎵的散熱難題需要通過與金剛石等高導(dǎo)熱材料鍵合來解決，這涉及到跨材料、跨工藝的復(fù)雜整合，在這方面，中國的工程化能力正在不斷提升。
西安電子科技大學(xué)的散熱技術(shù)突破就是一個很好的例子，他們解決了不同材料層之間的界面質(zhì)量問題，使芯片的散熱效率得到了質(zhì)的飛躍。
未來，誰能更好地將氧化鎵與其他材料和工藝融合在一起，誰就能制造出性能更優(yōu)、可靠性更高的器件。
氧化鎵作為第四代半導(dǎo)體的核心候選，正在改寫全球功率半導(dǎo)體的競爭地圖。
日本在材料技術(shù)與工藝積淀上確實(shí)還有一些優(yōu)勢，但中國在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、政策支持與市場速度上已經(jīng)展現(xiàn)出了強(qiáng)大的后發(fā)之勢。
這讓我想起了碳纖維產(chǎn)業(yè)，曾經(jīng)日本也是絕對的霸主，但中國通過技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)鏈整合，現(xiàn)在已經(jīng)成為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國和消費(fèi)國，氧化鎵很可能會走同樣的道路。
這場 "氧化鎵之爭"，已經(jīng)不僅僅是一場技術(shù)賽跑，更是中日兩國高端制造與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的全方位較量。
它關(guān)系到我們能否在下一代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中掌握話語權(quán)，能否擺脫對國外技術(shù)的依賴。
值得慶幸的是，這一次我們沒有落后，而是和日本站在了同一起跑線上，甚至在某些關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)先，未來三到五年，或許就是見分曉的時刻。
小清相信，憑借中國強(qiáng)大的制造業(yè)基礎(chǔ)和龐大的內(nèi)需市場，我們一定能在這場競爭中取得最終的勝利。
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