中國第四代半導(dǎo)體技術(shù)獲重大突破:金剛石與氧化鎵實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合

2025年2月13日凌晨，中國科技界迎來一則重磅消息：吉林大學(xué)劉冰冰教授團(tuán)隊聯(lián)合中山大學(xué)朱升財教授，在國際頂級期刊《Nature Materials》上發(fā)表了最新研究論文，宣布團(tuán)隊首次成功合成高質(zhì)量六方金剛石塊材，其硬度與熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)立方金剛石。

幾乎同一時間，北方華創(chuàng)公開表示，已為國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)提供第四代半導(dǎo)體材料（如氧化鎵、金剛石）的晶體生長設(shè)備，加速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。這兩項(xiàng)突破，標(biāo)志著中國在第四代半導(dǎo)體領(lǐng)域不僅實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的原始創(chuàng)新，更邁出了“從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線”的關(guān)鍵一步。

一、第四代半導(dǎo)體：為何成為“國之重器”？

1. 技術(shù)代際之爭：從硅到金剛石的性能躍遷

■第一代（硅、鍺）：支撐了計算機(jī)革命，但已逼近物理極限，難以滿足高功率需求。

■第二代（砷化鎵）：推動通信技術(shù)飛躍，卻因成本高昂局限于軍工和射頻領(lǐng)域。

■第三代（碳化硅、氮化鎵）：成為新能源車、5G基站核心，但國際競爭激烈，中國仍依賴進(jìn)口。

■第四代（氧化鎵、金剛石）：憑借超寬禁帶特性（氧化鎵4.9eV，金剛石5.5eV），可耐受極端高壓、高溫和輻射，被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”，是量子計算、深空探測、高能武器的“勝負(fù)手”。

以氧化鎵為例，其能量損耗僅為硅的1/3000，理論可將電動車充電時間縮短至“分鐘級”；而金剛石的介電擊穿強(qiáng)度是硅的33倍，能在500℃高溫下穩(wěn)定運(yùn)行，堪稱“半導(dǎo)體中的鉆石”。

2. 中國必須贏的三大理由

■ 軍事安全：氧化鎵雷達(dá)可穿透復(fù)雜電磁干擾，提升導(dǎo)彈制導(dǎo)精度；金剛石芯片可抵御核爆電磁脈沖，成為戰(zhàn)略武器“心臟”。

■能源革命：若全球數(shù)據(jù)中心采用氧化鎵器件，年節(jié)電量相當(dāng)于三峽電站3年發(fā)電量。

■產(chǎn)業(yè)鏈自主：中國鎵儲量占全球68%，但此前高端材料制備技術(shù)被日美壟斷。如今突破意味著從“賣礦石”轉(zhuǎn)向“賣芯片”。

二、科技突圍：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的“暗夜之戰(zhàn)”？

1. 六方金剛石：隕石中的“超級鉆石”逆襲

吉林大學(xué)團(tuán)隊通過模擬隕石撞擊地核的極端環(huán)境（50GPa超高壓、1400℃），發(fā)現(xiàn)石墨可經(jīng)“后石墨相”轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇饎偸?，其硬度達(dá)155GPa，比立方金剛石高40%，熱穩(wěn)定性突破1100℃。這項(xiàng)成果不僅破解了隕石鉆石來源的地質(zhì)謎題，更將應(yīng)用于深井鉆探、太空艙防護(hù)層等極端場景。

■毫米級塊材合成：突破納米級限制，采用國產(chǎn)碳化鎢壓砧技術(shù)，將壓力極限提升60%。

■綠色制造：免清洗工藝減少化學(xué)污染，契合碳中和目標(biāo)。

2. 氧化鎵：8英寸晶圓的“極限挑戰(zhàn)”

“每增加1英寸，良品率暴跌30%。”西安郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，陳海峰教授指著泛著紫光的氧化鎵晶圓說道。這枚全球最大的8英寸晶圓（是在8寸硅片上制備出氧化鎵外延片），曾讓團(tuán)隊瀕臨崩潰——熱場溫度波動必須控制在±0.5℃，相當(dāng)于在颶風(fēng)中保持蠟燭不滅。

轉(zhuǎn)機(jī)來自一場“跨界合作”。團(tuán)隊引入航天材料的熱仿真模型，將熱場穩(wěn)定性提升10倍。如今，這條產(chǎn)線每片晶圓成本僅500美元，不到日本同類產(chǎn)品（日本NCT公司壟斷）的1/3。“以前是追著別人跑，現(xiàn)在我們要換賽道?！标惡７逭f。

三、全球競速：中國如何重構(gòu)半導(dǎo)體權(quán)力版圖？

1.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)爭奪戰(zhàn)

中國正推動氧化鎵測試標(biāo)準(zhǔn)納入國際電工委員會（IEC），這是發(fā)展中國家首次主導(dǎo)半導(dǎo)體國際標(biāo)準(zhǔn)。而美國對氧化鎵的出口管制，反加速了中國國產(chǎn)化進(jìn)程。

2. 地緣博弈：美國為何“越封鎖越被動”？

日本雖掌握63%的氧化鎵專利，但中國近3年申請量激增400%，在“創(chuàng)新-量產(chǎn)-應(yīng)用”閉環(huán)中形成壓倒性優(yōu)勢。美國智庫CSIS報告承認(rèn)：“傳統(tǒng)技術(shù)制裁對中國已失效?！?/p>

四、SEMI-e 2025寬禁帶半導(dǎo)體及功率器件主題專區(qū)

在全球競相追逐第四代半導(dǎo)體技術(shù)的背景下，SEMI-e 2025將充分利用華南地區(qū)市場優(yōu)勢，打造寬禁帶半導(dǎo)體及功率器件主題專區(qū)，集中展示第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC、氮化鎵GaN、石墨及碳材料、立方氮化硼（C-BN）；第四代半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）、金剛石、氮化鋁（AlN）；晶圓、襯底、封裝、測試、光電子器件(發(fā)光二極管LED、激光器LD、探測器、紫外)、電力電子器件(二極管、MOSFET、JFET、BJT、IGBT、GTO、ETO、SBD、HEMT等)、微波射頻器件(HEMT、MMIC)等，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)動協(xié)同注入新的活力。