半導(dǎo)體材料的代際更迭正推動電子信息技術(shù)進入新紀元。當(dāng)?shù)谌雽?dǎo)體（碳化硅、氮化鎵）在新能源汽車、5G通信領(lǐng)域大放異彩時，一場圍繞第四代超寬禁帶半導(dǎo)體的全球競賽已悄然展開。

       第一代（硅 / 鍺）

       1947 年，貝爾實驗室的鍺晶體管拉開序幕，奠定了微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，我們熟悉的計算機芯片就源于此。

       第二代（砷化鎵/ 磷化銦）

       1950 年代，化合物半導(dǎo)體登場，高頻性能卓越，成為通信產(chǎn)業(yè)的核心，手機信號傳輸全靠它。

       第三代（碳化硅/ 氮化鎵）

       1970 年代起，耐高壓、耐高溫的碳化硅和氮化鎵崛起，推動新能源汽車、5G 基站等領(lǐng)域革新。

       第四代（氧化鎵/ 金剛石 / 氮化鋁）

       如今，禁帶寬度超 4 eV 的 “超寬禁帶” 材料登場，開啟極端環(huán)境應(yīng)用新紀元。

       氧化鎵、金剛石、氮化鋁——這些禁帶寬度超過4eV的材料，憑借其耐萬伏高壓、抗千度高溫、抵強輻射的極限性能，成為6G通信、特高壓電網(wǎng)、深紫外光刻等尖端領(lǐng)域的核心突破口。而在這場關(guān)乎未來科技主導(dǎo)權(quán)的博弈中，中國正加速突破技術(shù)封鎖，力爭實現(xiàn)從“跟跑”到“并跑”的關(guān)鍵跨越。

       材料競速

       氧化鎵：低成本產(chǎn)業(yè)化的破局者

       作為第四代半導(dǎo)體中產(chǎn)業(yè)化進程最快的材料，氧化鎵的巴利加優(yōu)值（BFOM）高達3297，遠超碳化硅的603，特別適用于萬伏級功率轉(zhuǎn)換器件。其最大優(yōu)勢在于制備成本僅為氮化鎵的1/5——通過熔體法即可生長大尺寸單晶，避免了第三代半導(dǎo)體所需的高壓設(shè)備。西安郵電大學(xué)于2023年在8英寸硅片上實現(xiàn)高質(zhì)量氧化鎵外延，為兼容現(xiàn)有硅基產(chǎn)線奠定基礎(chǔ)；三菱電機已開發(fā)出6.5kV氧化鎵肖特基二極管，效率較碳化硅提升30%，有望應(yīng)用于新能源汽車超快充系統(tǒng)。

       金剛石：極端性能的“天花板”

       自然界最高熱導(dǎo)率（>2000W/mK）與超高載流子遷移率（1370cm2/Vs），使金剛石成為高功率射頻芯片的理想散熱襯底。但硬度過高導(dǎo)致的加工難題長期制約其發(fā)展。2021年香港城市大學(xué)團隊實現(xiàn)金剛石9.7%彈性應(yīng)變，突破“脆性魔咒”，使電子能帶調(diào)控成為可能；日本Adamant并研發(fā)出40GHz金剛石射頻功放器件，可滿足6G基站對高頻高效的嚴苛需求。

       氮化鋁：深紫外光電子學(xué)的核心載體

       6.0eV的極寬禁帶使其成為目前唯一可商業(yè)發(fā)射UVC波段（200-280nm）的半導(dǎo)體材料。蘋果公司已將其用于iPhone的5G射頻濾波器，但大尺寸單晶制備仍是全球瓶頸。松山湖實驗室突破物理氣相傳輸（PVT）技術(shù)，制備出3英寸氮化鋁晶錠（圖3-4），缺陷密度降至10?cm?2級；美國HexaTech公司壟斷2英寸以上襯底市場，單片價格高達數(shù)萬美元。

       中國路徑：從技術(shù)封鎖到自主生態(tài)構(gòu)建

       第四代半導(dǎo)體已成為大國科技博弈的焦點領(lǐng)域。2022年8月，美國商務(wù)部將氧化鎵、金剛石單晶列入對華出口管制清單，而氮化鋁襯底早已被長期禁運。這些跡象均表明，以第四代半導(dǎo)體為標(biāo)志的新一輪科技競賽已悄然打響。

       當(dāng)前，我國越發(fā)重視第四代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的布局，相關(guān)規(guī)劃已陸續(xù)上馬。在“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，氮化鋁、氧化鎵、金剛石、氮化硼等材料的制備技術(shù)均已列入國家重點研發(fā)計劃，獲得了國家層面更多的重視與支持。我們有信心突破該領(lǐng)域的“卡脖子”問題。

       未來已來：誰將定義下一個 “半導(dǎo)體時代”？

       從法拉第發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體特性（1833 年），到藍光 LED 獲諾貝爾獎（2014 年），每一次材料突破都重塑世界。如今，第四代半導(dǎo)體正站在產(chǎn)業(yè)化前夜 —— 或許下一個十年，我們將見證：電動汽車搭載金剛石電池，續(xù)航超 2000 公里；6G 基站用氮化鋁芯片，延遲低至 1 毫秒......

       這場 “超寬禁帶” 引發(fā)的科技競賽，中國已握有 “入場券”。讓我們拭目以待，看半導(dǎo)體材料如何繼續(xù)撬動人類文明的未來！