何為“第四代半導體”？

近日舉辦的上海市第十六屆人民代表大會第四次會議上指出，2026年將大力培育發(fā)展腦機接口、第四代半導體等未來產業(yè)。何為第四代半導體？第四代半導體發(fā)展近況如何？作為未來產業(yè)中未來材料方向的關鍵組成部分，其將對半導體乃至整個電子信息產業(yè)帶來何種影響？

以氧化鎵、金剛石、氮化鋁為核心代表的第四代半導體，也被稱為“超寬禁帶半導體”。隨著寬禁帶半導體發(fā)展越發(fā)火熱，第四代半導體的潛力也被廣泛重視。當前，第四代半導體材料處于技術攻堅與量產蓄力發(fā)展階段，各個國家及地方政府密集出臺相關支持政策，推動產業(yè)向產業(yè)化發(fā)展。

發(fā)展迅猛的氧化鎵

第四代半導體的核心特征是禁帶寬度大于3.4eV，遠高于硅（1.12eV）、碳化硅（3.25eV）、氮化鎵（3.4eV）等前三代半導體材料，優(yōu)異的物理化學特性使其能夠適配大量極端應用場景。第四代半導體的主要代表有氧化鎵、金剛石、氮化鋁等。

氧化鎵的禁帶寬度達4.9eV，熔點為1740℃，具有極強的抗輻照和抗高溫能力，可在高低溫、強輻射環(huán)境下保持穩(wěn)定性能；同時其臨界擊穿電場高達8MV/cm，是碳化硅的3倍多，可以確保器件在超高電壓下工作，載流子收集效率優(yōu)勢顯著；其巴利加優(yōu)值達到3444，分別是氮化鎵的4倍和碳化硅的10倍，意味著氧化鎵在功率器件應用中具有極低的導通損耗，功率損耗僅為碳化硅的1/7、硅的1/49，對于提升能源轉換效率具有重大意義。

氧化鎵在高壓、高頻、高溫場景中具備的獨特優(yōu)勢，應用潛力巨大。在功率電子領域，氧化鎵器件可大幅提升能源轉換效率，適用于新能源汽車快充、光伏逆變器、智能電網、工業(yè)電源等場景。其超高擊穿電場特性使器件可承受更高電壓，比導通電阻更低，能源損耗較硅基器件降低50%以上，符合新能源產業(yè)節(jié)能降耗的核心需求；在紫外探測領域，氧化鎵的禁帶寬度使其對200~280nm的日盲紫外光具有高靈敏度，適用于火災預警、電暈探測、環(huán)境監(jiān)測等場景；在航空航天領域，氧化鎵器件的高溫穩(wěn)定性與抗輻射特性，可滿足航天器、雷達等裝備的嚴苛需求。

但氧化鎵的缺點也很明顯，其存在高溫下易分解、易開裂的特性，導致大尺寸產品制備難度極大。

目前，中國在氧化鎵技術與量產方面處于優(yōu)勢地位。杭州鎵仁半導體首創(chuàng)鑄造法氧化鎵單晶生長技術，推出全球首發(fā)8英寸氧化鎵單晶襯底，開發(fā)國內首臺帶工藝包的氧化鎵專用VB長晶設備并對外銷售，在大尺寸襯底與裝備自主化方面處于國際領先；中國科學院上海光機所聯(lián)合富加鎵業(yè)，在國際上首次采用垂直布里奇曼法（VB法）制備出8英寸氧化鎵晶體。

去年9月，富加鎵業(yè)獲近億元融資，將主要用于建設國內首條6英寸氧化鎵單晶及外延片生產線，預計2026年年底實現年產萬片產能，其自主研發(fā)的氧化鎵MOCVD同質外延技術也取得了突破性進展，成功在氧化鎵單晶襯底上生長出厚度首次超過10微米的同質外延薄膜；北京銘鎵半導體近日完成A++輪超億元股權融資，本輪融資將主要用于6英寸氧化鎵襯底技術研發(fā)與量產、建設2~4英寸氧化鎵襯底中試產線、超寬禁帶半導體未來產業(yè)培育，以及磷化銦多晶產線規(guī)模化擴產。此外，三安光電、蘇州鎵和、晶旭半導體、鎵創(chuàng)未來等企業(yè)也在加速布局氧化鎵賽道。

技術工藝方面，中國科學院院士、西安電子科技大學教授郝躍團隊的張進成教授和寧靜教授，為了解決氧化鎵的散熱困難問題，通過引入石墨烯作為中間緩沖層，使得氧化鎵薄膜能夠平整又高質量地生長在多晶金剛石上，并通過“氧-晶格協(xié)同調控”技術，即精細控制氧氣和原子排列，實現了高質量氧化鎵薄膜的穩(wěn)定外延。據了解，該技術不僅解決了生長問題，還帶來了優(yōu)秀的散熱效果。

極致性能的金剛石

金剛石的物理特性更為突出，禁帶寬度高達5.45eV，是硅的近3倍，穩(wěn)定性和可靠性極高；室溫下熱導率達2200W/（m?K），是硅的13倍，能極大提升芯片散熱效率，保障電子設備性能穩(wěn)定；擊穿電場強度超過10MV/cm，在高功率、高頻率器件應用中優(yōu)勢明顯，是綜合性能最優(yōu)的理想材料之一。

隨著技術成熟與產能釋放，金剛石的應用場景從傳統(tǒng)研磨向散熱、半導體、新能源等高端領域全面拓展。

AI芯片、5G基站、新能源汽車逆變器的“高熱流密度”需求，推動金剛石散熱材料從“小眾備選”變?yōu)椤皠傂杞M件”。英偉達新一代Vera Rubin GPU，搭載第三代Transformer引擎，采用SoIC三維垂直堆疊先進封裝，晶體管數量達3360億個，單芯片功耗最高突破2300W，芯片散熱壓力較前代呈幾何級增長。

傳統(tǒng)銅散熱早已不堪重負，滿負荷運行10分鐘核心溫度就觸達110℃過熱閾值，氧化老化導致3~5年就需更換，且熱脹冷縮特性無法貼合3納米級精密芯片，縫隙漏熱、漏電風險突出。為此，英偉達率先開展鉆石散熱技術的GPU實驗，結果顯示，Vera Rubin GPU搭載鉆石銅復合散熱方案后，其AI及云計算性能提升3倍，溫度降低60%，能耗降低40%，更是實現“局部核心極致散熱+全局液冷高效控溫”的雙重突破。我國企業(yè)方面，瑞為新材也已實現金剛石散熱材料批量供貨；力量鉆石表示，金剛石散熱是新興需求，公司已投產的半導體散熱材料項目主要在AI芯片、新能源方面應用。

據國海證券研報預測，鉆石散熱市場規(guī)模將從2025年的0.37億美元暴漲至2030年的152億美元，滲透率預計從不足0.1%提升至10%。

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。

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，需要在制備工藝上取得突破。

技術層面，大尺寸化（8~12英寸）、高性能化、低缺陷、高純度、低成本化將是核心發(fā)展方向，CVD法良率提升與成本下降、n型摻雜技術規(guī)?；瘧谩愘|集成工藝優(yōu)化將成為突破重點，新型金剛石材料的應用場景將進一步拓展。北京高壓科學研究中心與中國科學院西安光機所科學家?guī)ьI的國際研究團隊，成功將高質量石墨單晶前驅體轉化為百微米級、高度有序的六方金剛石，相關成果已發(fā)表于國際期刊《自然》。

近日，黃河旋風宣布其8英寸金剛石熱沉片即將量產，將熱沉片切割加工成特定形狀并貼合于芯片表面可制成頂級散熱器，大幅提升高功率器件、5G/6G通信設備及AI算力模塊的運行性能。據了解，其熱沉片生產車間計劃2月份投入量產。

善于“打輔助”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。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，被譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是全球半導體技術研究的前沿和戰(zhàn)略競爭的焦點。

氮化鋁的優(yōu)秀物理化學特性，使其在功率半導體、5G/6G通信、新能源汽車等領域具有不可替代的應用價值。

功率半導體是氮化鋁最大的應用領域。氮化鋁陶瓷基板作為功率模塊的核心散熱部件，可有效解決碳化硅、氮化鎵器件的高熱流密度散熱難題，提升器件可靠性與使用壽命；在AI芯片與5G通信領域，氮化鋁散熱片需求旺盛，單臺AI服務器氮化鋁散熱片價值量將從2024年50美元提升至2031年120美元，各大企業(yè)已在高端AAU單元中批量導入氮化鋁基板方案。

氮化鋁具有優(yōu)異的壓電特性，是聲表面波（SAW）濾波器、壓電傳感器的理想材料，適配5G/6G高頻通信與物聯(lián)網需求。此外，氮化鋁在深紫外LED領域應用潛力顯著，可提升UVC LED發(fā)光效率，用于醫(yī)療消毒、水處理等場景，UVC LED的商業(yè)化推進將進一步拉動氮化鋁需求。

近日，郝躍、張進成團隊通過將材料間的“島狀”連接轉化為原子級平整的“薄膜”，使芯片的散熱效率與綜合性能獲得了飛躍性提升。這項工藝使氮化鋁層從粗糙的“多晶島狀”結構，轉變?yōu)樵优帕懈叨纫?guī)整的“單晶薄膜”。實驗數據顯示，基于這項創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術，研究團隊制備出的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段分別實現了42W/mm和20W/mm的輸出功率密度。這一數據將國際同類器件的性能紀錄提升了30%到40%，意味著在芯片面積不變的情況下，裝備探測距離可以顯著增加；對于通信基站而言，則能實現更遠的信號覆蓋和更低的能耗。

隨著AI算力需求的爆炸式增長，光模塊的速率和功耗也在持續(xù)攀升。例如，ODCC開放數據中心委員會2025年9月發(fā)布的《400GE BR4 光收發(fā)模塊技術規(guī)范》，專門適配AI大模型訓練場景，明確規(guī)定400G BR4光模塊典型功耗＜9W，采用QSFP112熱插拔封裝。之后在800G及以上速率、功耗更高的光模塊中，散熱成為核心瓶頸。隨著氮化鋁產業(yè)化不斷成熟，國內廠商在供給端瓶頸上不斷突破，氮化鋁憑借其高出數倍的導熱率，未來也有望成為追求極致散熱性能的首選。

氮化鋁目前的技術難題在于其硬脆特性（莫氏硬度8~9），導致激光切割時易產生微裂紋，鉆孔良率不足60%，加工成本占總成本的40%以上。另一方面，在燒結環(huán)節(jié)，其合成工藝需在1800℃以上的高溫氮氣環(huán)境中完成，鋁粉純度必須高于99.99%，任何細微的氧雜質（含量超過0.1%）都會引發(fā)AlON雜相的生成，使熱導率下降30%以上。另外，傳統(tǒng)無壓燒結難以實現致密化，若采用熱等靜壓（HIP）技術，設備成本將飆升。

針對這些問題，國內廠商近年來取得了一些突破。清華大學、中國科學院等院校已經與企業(yè)聯(lián)合攻關，突破低溫燒結、表面改性等關鍵技術。如清華大學技術轉化的企業(yè)華清電子已實現230W/（m?K）高導熱基板量產。廈門鉅瓷與北京大學合作開發(fā)的多晶復合襯底成本較單晶降低30%~50%。

全球范圍掀起布局熱潮

近幾年，中國、美國、日本、韓國等國家及地區(qū)紛紛將第四代半導體納入重點發(fā)展領域，出臺多項針對性政策，形成全球范圍內的產業(yè)布局熱潮。

在中國，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2024年版）》將氧化鎵單晶襯底、電子級金剛石、氮化鋁襯底列入其中，通過保險補償機制降低企業(yè)應用風險。科技部“十四五”重點專項持續(xù)支持大尺寸氧化鎵襯底制備與摻雜工藝攻關。而自2023年起實施的鎵相關物項出口管制，在2025年多次被商務部重申適用于氧化鎵，凸顯其戰(zhàn)略資源屬性。

地方政府方面，上海市“超寬禁帶半導體未來產業(yè)集聚區(qū)”在臨港新片區(qū)啟動建設，上海市寬禁帶與超寬禁帶半導體材料重點實驗室正式揭牌。臨港新片區(qū)發(fā)布10條支持寬禁帶與超寬禁帶半導體產業(yè)發(fā)展政策，超寬禁帶半導體概念驗證中心、集成電路材料概念驗證中心啟動建設，寬禁帶與超寬禁帶產業(yè)基金矩陣正式發(fā)布，超寬禁帶半導體創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)盟發(fā)起成立。

廈門市科技局2025年9月發(fā)布重大科技計劃，專門設置“超寬禁帶半導體材料與器件”方向，重點支持金剛石熱沉基板和氧化鎵精密加工；重慶市在答復政協(xié)提案時，正式公布《長壽區(qū)第四代化合物半導體產業(yè)發(fā)展專項規(guī)劃》，提出分階段建設氧化鎵、金剛石材料研發(fā)與制造基地，打造西部新材料高地。

國際方面，美國能源部（DOE）于2025年1月16日發(fā)布的《寬禁帶功率電子戰(zhàn)略框架草案》，將超寬禁帶半導體（氧化鎵、金剛石等）納入核心研發(fā)范疇；美國國防高級研究計劃局（DARPA）在2025年8月正式啟動超寬禁帶半導體（UWBGS）專項項目，聚焦大型高質量金剛石襯底（LADDIS）、異質結構集成（H2）等關鍵子方向，目標是突破超寬禁帶半導體材料質量不高、集成難度大等核心痛點。

日本經濟產業(yè)?。∕ETI）發(fā)布的《半導體與數字產業(yè)戰(zhàn)略》將超寬禁帶半導體（氧化鎵、金剛石）納入次世代半導體技術開發(fā)重點領域，明確提出“2030年前實現國產半導體材料自給率提升至70%以上”的核心目標。為實現這一目標，日本通過新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）提供大額資金支持，聯(lián)動東京大學、京都大學等科研機構，以及住友化學、羅姆等本土企業(yè)，組建產學研協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)合體，重點攻關氧化鎵單晶制備、金剛石襯底加工等關鍵技術，同時推動超寬禁帶半導體器件在新能源汽車、工業(yè)控制等領域的應用試點。

韓國政府在2025年3月設立了50萬億韓元的尖端戰(zhàn)略產業(yè)基金，重點支持半導體、人工智能等關鍵領域發(fā)展，其中明確將超寬禁帶半導體材料與設備研發(fā)納入重點扶持范圍，單家企業(yè)最高可獲得200億韓元資助。此后，韓國政府進一步加碼扶持力度，將半導體產業(yè)扶持資金規(guī)模從原定的26萬億韓元提升至33萬億韓元，增幅達27%。

如今，全球第四代半導體產業(yè)已進入政策密集加持、技術加速突破、應用逐步落地的關鍵發(fā)展期，各國基于自身優(yōu)勢形成差異化布局，依托技術攻關與政策落地逐步推進。

來源：中國電子報、電子信息產業(yè)網