新质生产力系列⑰：“钻石”应用新方向，第四代半导体站在风口

AI散热让“钻石”材料站在“C”位，也让以氧化镓、金刚石、氮化铝为代表的第四代半导体“出圈”，相比其他半导体材料，其拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势，可在苛刻的环境条件下更好运用在光电器件、电力电子器件中，被看作下一代电力、航天、紫外探测的变革基石。同时，碳化硅、氮化镓等第三代半导体在新能源等赛道还没完全普及，氧化镓却已以十倍性能碾压登场，加速产业化，金刚石、氮化铝等材料新技术也不断实现突破。

以氧化镓、金刚石、氮化铝为代表的超宽禁带半导体材料，表现出更强的性能优势，正在打开传统硅和碳化硅的“能力盲区”，在新能源汽车千伏级高压平台、6G通信太赫兹频段、商业航天抗辐照需求、AI数据中心极端散热等领域拥有广泛需求。

氧化镓：功耗低、成本低。拥有比SiC和GaN更宽的禁带宽度，能承受更高等级电压（SiC/GaN的2倍以上），理论上电能损耗更低（硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3），适合超高压、低频功率场景（电网、轨交、特种电源等）‌。氧化镓具有成本优势，是唯一一个可以像生产硅一样，用熔体法生长的宽禁带半导体材料，大规模生产后可以降到300元，而同样尺寸的碳化硅衬底成本大概在4000-5000元；此外，氧化镓的晶圆产线与硅、碳化硅、氮化镓的差别不大，转换成本低。

面临问题：热管理困难（热导率不足硅的1/5、SiC的1/10）、P型掺杂工艺难等问题。

图源：即梦AI

金刚石：高热导率、极强抗辐射。金刚石是集优异的电学、光学、力学、热学和化学等特性于一身的超宽禁带半导体，被誉为“终极半导体材料”“终极室温量子材料”。超宽禁带、高击穿场强（硅的33倍、SiC3.5倍），可在‌500–600℃‌高温稳定工作，具有极强抗辐射、耐强腐蚀性能；高热导率（是铜5倍、硅13倍、SiC4倍），是已知固态材料第一；具有高频低损耗潜力，理论损耗仅为硅的1/50000，能承受上万伏高压不击穿。采用金刚石衬底电子器件，适用于航天、核能、高功率射频及AI算力芯片极端工况，以及5G/6G通信、微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域。

面临问题：大尺寸制备难、成本高、‌掺杂技术不成熟。

氮化铝：高紫外透过率、散热性能优。氮化铝单晶是第四代半导体的核心衬底材料，禁带宽度高于氧化镓和金刚石，击穿场强约是硅的10-15倍，可在更高电压下稳定工作，实现更高的功率转换效率（如电动车逆变器效率可提升至98.5%以上）和更优的能耗比，以及良好的深紫外透过率；耐温极限更优，支持1000°C以上稳定工作；具有优异的热管理能力，其理论热导率与金属铜相当‌。其器件适用于深紫外光电子、特高压输电、航天发动机传感、高超音速武器通信等三代半无法覆盖场景。

面临问题：制备工艺极为复杂，材料脆性高，制造成本高不下。

1、第四代半导体迎来百亿级市场。伴随大尺寸工艺攻坚、量产良率提升、下游应用需求全面释放，行业正处于技术突破向产业化过渡的黄金窗口期，氧化镓衬底、金刚石热沉片等产品率先进入商业应用，预计2030年后行业将迎来商用爆发期，Yole预测，2025–2030年全球第四代半导体市场复合增速（CAGR）38%，2030年市场规模有望突破500亿美元，其中60%来自电动汽车与电网的超高压功率器件，25%来自深紫外光电与量子通信，剩余15%由射频与极端环境传感贡献。就衬底市场规模来看，QYResearch预计2032年全球第四代半导体衬底市场规模将攀升至7.29亿美元，其中氧化镓（2031年）市场达4.3亿美元，CAGR为27.6%；路亿市场策略（LP Information）预计氮化铝单晶衬底（2031年）市场规模将达到0.98亿美元。

2、不同产品存在商业化阶段不同。第四代半导体整体虽处于产业化早期，但因制造工艺、应用领域不同，不同产品进入不同的产业化阶段。氧化镓制造成本低、生长快，将率先进入产业化阶段，12英寸氧化镓单晶已实现突破，预计未来3-5年可以实现大规模应用，根据日本富士经济预测，到2030年全球氧化镓功率器件市场规模将达到约1542亿日元（约12.2亿美元）。金刚石在热导率上几乎是碾压级的存在，可制备难度最高，单晶金刚石晶圆可直接作为半导体芯片基底，正向4英寸技术迈进，还处于实验室阶段，预计2027–2030年逐步突破；但凭借出色的散热性能，8英寸多晶金刚石热沉片已经在顶级AI芯片散热领域开始商业化应用，华西证券预计，2030年全球金刚石散热规模超300亿元。氮化铝射频性能优异，但大尺寸衬底制备困难，4英寸单晶氮化铝衬底已实现突破，逐渐开始商业化应用，而凭借优异的散热性能，氮化铝粉体及基板已经开始大规模应用。

3、不同产品将在细分特色领域逐渐渗透。超宽禁带半导体衬底与高端功率器件、国防军事电子、卫星通信、深紫外光源和量子技术等前沿科技密切相关，受到多国重点关注，美国《芯片与科学法案》将氧化镓、金刚石衬底列入出口管制清单，欧盟2026年前拟投入2亿欧元打造8英寸金刚石试验线。当前，SiC和GaN仍处于快速放量阶段，第四代半导体因成本等问题难以抗衡一般领域，需要在超高压、极端高温、深紫外或极端环境等第三代难以胜任的应用中证明不可替代价值。QYResearch判断，未来几年，超宽禁带半导体衬底将沿着大尺寸化、低缺陷密度、外延级表面质量、复合衬底、异质集成、器件协同验证和区域化供应链方向发展，氧化镓将在高压低成本功率器件，氮化铝将应用在航天、军工等深紫外光电子、高频高压器件和极端环境电子领域，金刚石将围绕高功率热管理、射频、量子等领域扩展应用，行业竞争将从“能否制备”转向“能否低成本稳定量产、能否通过下游应用客户工艺验证”。

因半导体产业、新材料、通信电子等产业基础优势，日本、美国、中国在第四代半导体领域处于领先地位，美、日希望通过第四代半导体避开中国在第三代半导体领域的材料优势，尤其日本打通了衬底—外延—器件等研发到产业化全链条，位居全球首位；我国在衬底等材料领域加快追赶，但器件及产业化应用环节相对落后。

日本：研发和产业化全面领先。日本在氧化镓研发方面处于最前沿，Novel Crystal Technology（NCT）公司领跑全球氧化镓产业，已成功量产实现了6英寸衬底和同质外延，供应全球近100%的氧化镓衬底，是全球为数不多的掌握衬底、外延、器件全链条技术的企业。精密元件制造商Orbray已开发出大规模生产2英寸金刚石晶圆的技术，并加强4英寸晶圆技术攻关；住友电工与大阪公立大学合作，在2英寸多晶金刚石衬底上成功制造高电子迁移率晶体管，大幅提升高频功率器件散热性能。日本德山化工氮化铝粉体具有垄断地位，单晶衬底进入产业化；康奈尔大学和日本化工巨头旭化成在N极性单晶氮化铝衬底上实现高电子迁移率晶体管。

美国：金刚石领先，氧化镓偏弱。美国在器件领域发展较早，各种创新的结构和工艺极大地推动了第四代半导体器件的进步。氧化镓衬底领域，Kyma Technologies在开发氧化镓衬底和外延片，主要服务于国防和航空航天项目。氮化铝衬底领域，Crystal IS公司已实现直径4英寸单晶衬底的科研级批量化生产，技术已处于行业领先水平。金刚石材料具有一定优势，美国国防部高级研究计划局、能源部向多个项目提供资助，用于开发下一代半导体技术，如伊利诺伊大学获得了数百万美元的资助，用于开发光触发金刚石半导体开关设备和打造高功率金刚石光电设备等项目。Element Six及其合作伙伴根据DARPA项目要求开发4英寸单晶金刚石材料，其CVD 工厂已实现2英寸高品质单晶合成金刚石的可持续规模化生产。DARPA还委托雷神（Raytheon）公司开发基于人造金刚石和氮化铝（AlN）的超宽带隙半导体，以确保美国的军事装备生产。美国AKHAN公司有望实现金刚石半导体器件产品化。

中国：材料领先，器件应用偏弱。科技部将氧化镓等材料列入十四五重点研发计划，上海、北京、广东、天津等省市也出台地方政策支持第四代半导体发展，上海临港还启动了全国首个第四代半导体未来产业集聚区。中国氧化镓衬底、外延技术总体处于领先，但器件产业化相对落后，浙江杭州、北京两城处于国内领先，其中杭州富加镓业首次研制出12英寸氧化镓单晶，刷新世界纪录，成为全球首家掌握这一技术的企业；杭州镓仁半导体成功制备全球首颗8英寸氧化镓单晶。中国人造金刚石产量已占全球的95%，尤其河南一省的产能占全国80%以上，凭借强大的产能优势，金刚石散热及衬底处于领先地位，河南四方达与中芯国际联合开发的12英寸金刚石晶圆衬底已进入试产阶段，国机精工实现了8英寸单晶金刚石衬底稳定生长。氮化铝以陶瓷电子器件封装材料为主，高端粉体依赖进口，氮化铝衬底研发及产业化偏弱，奥趋光电、晶曜盛巳（宁波）成功量产制备2英寸高品质氮化铝单晶，产品质量达国际先进水平，但更高尺寸需加快追赶。

1、产学研协同突破关键技术。科研机构和企业通过产学研合作，共同建立第四代半导体材料研发中心，围绕材料制备、大尺寸单晶生长、半导体级材料改性、器件集成及产业化应用等关键领域开展技术攻关，打通“实验室到产线”瓶颈，推动科研成果快速转化为生产力。政府通过“揭榜挂帅”机制，以及建立材料检测验证平台、概念验证平台等公共服务平台，支持高校、企业开展关键基础技术、基础工艺攻关。搭建校企协同育人平台，实行“双导师制”联合培养既具备工艺创新能力又熟悉一线实践的复合型技术人才。

2、跨区域协同差异化发展。第四代半导体整体还处于产业化的“前夜”‌，研发主要集中在东部等高校科研机构丰富区域；制造环节需要消耗大量的电能及稳定的能源供应；器件制造及应用集中在长三角、珠三角及京津冀等城市群。东部研发优势区域可与西部电力充沛区域建立协同联动机制，共同推动衬底、外延片等材料制造落地，降低制造成本。东部等电力电器制造优势区域，加强功率器件研发，补齐产业链短板，形成上下游平衡发展。

3、高端应用场景带动发展。国防军事、特高压输电、航天、核电等国家级项目，通过政府采购等方式，优先使用氧化镓、金刚石等第四代半导体器件，助力初创企业发展。政府搭建供需对接平台，针对卫星互联网等商业航天应用，加快攻克金刚石、氮化铝等电子器件产品，推动金刚石功率器件规模化应用到卫星通信、雷达系统等高端应用领域；金刚石热沉片规模化应用到AI芯片散热领域；氮化铝规模化应用到5G/6G通信滤波器、压电传感器等产品。

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编辑：龙彦霖