中國粉體網(wǎng)訊 8月12日，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）在聯(lián)邦公報上發(fā)布一項臨時最終規(guī)定，對4項“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”實施最新出口管制。其中兩項便是氧化鎵、金剛石這兩類超寬禁帶半導(dǎo)體材料，且該兩項出口管制于8月15日已生效。
（圖源：BIS）
那么，為什么美國要限制氧化鎵、金剛石的出口呢？
關(guān)于第四代半導(dǎo)體材料
高性能半導(dǎo)體器件的制造離不開先進(jìn)的半導(dǎo)體材料，為了滿足半導(dǎo)體器件的使用性能，半導(dǎo)體材料先后經(jīng)歷了以硅、鍺為代表的第一代元素半導(dǎo)體材料；以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料和以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。近年來，隨著新能源汽車、高鐵、量子通信等領(lǐng)域?qū)Τ邏焊吖β势骷�、深紫外光電子器件、高能射線輻射探測器等高性能半導(dǎo)體器件的需求，金剛石、氧化鎵（β-Ga2O3）等具有更大禁帶寬度、更高擊穿電場、更短吸收截止邊等優(yōu)勢的超寬禁帶半導(dǎo)體材料引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是未來支撐信息、能源、交通、制造、國防等領(lǐng)域快速發(fā)展的新一代半導(dǎo)體材料。
β-Ga2O3與其他半導(dǎo)體的材料性質(zhì)對比（圖源：蔣騫等，《氧化鎵薄膜外延生長及其應(yīng)用研究進(jìn)展》）
關(guān)于氧化鎵
氧化鎵是一種透明的超寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為4.8eV，擊穿電場強度高達(dá)8MV/cm，遠(yuǎn)高于硅（1.1eV，0.3MV/cm）、砷化鎵（1.4eV，0.4MV/cm）、碳化硅（3.3eV，2.5MV/cm）、氮化鎵（3.4eV，3.3MV/cm）等半導(dǎo)體材料，還具有獨特的紫外透過特性（紫外透過率可達(dá)80%以上）以及低的能量損耗、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，是制造高溫高頻高功率微電子器件、日盲紫外光電探測器、紫外透明導(dǎo)電電極的優(yōu)選半導(dǎo)體材料。此外，氧化鎵良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，成本較低、制備方法簡單、便于批量生產(chǎn)，在產(chǎn)業(yè)化方面優(yōu)勢明顯。
在后摩爾時代，具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，而氧化鎵的出現(xiàn)，為產(chǎn)業(yè)帶來了新風(fēng)向。作為超寬禁帶半導(dǎo)體，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料的代表。目前，各國的半導(dǎo)體企業(yè)都爭先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。
國內(nèi)外氧化鎵晶體生長技術(shù)的發(fā)展趨勢（圖源：高尚等，《新一代半導(dǎo)體材料氧化鎵單晶的制備方法及其超精密加工技術(shù)研究進(jìn)展》）
日本企業(yè)Novell Crystal Technology作為氧化鎵晶體研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，是世界上最早能夠量產(chǎn)氧化鎵基礎(chǔ)材料（單晶和外延）及器件的企業(yè)。他們正在聯(lián)合村田制作所、三菱電機、日本電裝和富士電機等科技巨頭，以及東京農(nóng)工大學(xué)、京都大學(xué)和日本國家信息與通信研究院等高校及科研機構(gòu)，推動氧化鎵單晶、襯底材料以及下游功率器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
我國也在進(jìn)行氧化鎵的研發(fā)。中國科協(xié)發(fā)布的2021年度“科創(chuàng)中國”系列榜單中，中山大學(xué)王鋼教授團隊自主研發(fā)的科研成果“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延生長技術(shù)及核心裝備”榮登“先導(dǎo)技術(shù)榜”，推動我國氧化鎵基功率電子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
而在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有全面領(lǐng)先優(yōu)勢的美國，正在從前沿軍事技術(shù)布局的角度，大力發(fā)展氧化鎵材料及功率器件。美國空軍研究實驗室、美國海軍實驗室和美國宇航局，積極尋求與美國高校和全球企業(yè)合作，開發(fā)耐更高電壓、尺寸更小、更耐輻照的氧化鎵功率器件。
關(guān)于金剛石
金剛石是超寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶寬度為5.5eV，具有高電子遷移率（2000cm2/Vs）、高電子飽和速度（2×107cm/s）、高擊穿場強（107V/cm）和高熱導(dǎo)率（2000W/mK）等特點，其功率器件的JOHNSON'S優(yōu)值為寬禁帶半導(dǎo)體SiC的10倍。對金剛石材料和器件的研究早于SiC和GaN，由于研制難度大，其發(fā)展速度被寬禁帶半導(dǎo)體超越。隨著SiC和GaN功率電子學(xué)進(jìn)入發(fā)展成熟階段，新的需求又在推動下一代功率電子學(xué)的發(fā)展，金剛石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業(yè)界譽為“終極半導(dǎo)體”。
近年來，對金剛石單晶、多晶材料在大尺寸、低缺陷密度和p型、n型摻雜等關(guān)鍵技術(shù)的研究有了新的突破，并帶動了金剛石功率二極管、金剛石功率場效應(yīng)晶體管（FET）、邏輯電路和金剛石ＲF功率器件的發(fā)展，同時將高導(dǎo)熱的金剛石材料和GaN HEMT結(jié)合以解決其高功率工作時的散熱難題，又推動了高輸出功率密度的GaN微電子學(xué)的發(fā)展。
金剛石探測器組件（圖源：材料科學(xué)，《金剛石的光芒不止體現(xiàn)在鉆石上》）
目前全球各國都在加緊金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研制工作。其中，近期代表性的一項成果是日本Adamant并木精密寶石（東京都足立區(qū)）與佐賀大學(xué)共同開發(fā)出了適用于量子計算機存儲器的金剛石晶圓制造技術(shù)。宣布成功開發(fā)了超高純度2英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)方法，其存儲能力相當(dāng)于10億張藍(lán)光光盤。雖然晶圓缺陷較多，但這意味著鉆石晶圓時代的開始。同時，美國初創(chuàng)公司AKHAN半導(dǎo)體專門研究實驗室生長的電子級金剛石制備和應(yīng)用，多次報道出其最新成果。
我國在金剛石方面，做了大量的探索性研究工作，但是與先進(jìn)國家相比還有巨大差距，主要表現(xiàn)在：關(guān)鍵工藝設(shè)備依賴進(jìn)口，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，容易遭到國外封鎖；單晶金剛石襯底無法在國內(nèi)穩(wěn)定獲取；沒有先進(jìn)的大尺寸單晶金剛石薄膜的生長工藝等。
結(jié)語與展望
美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，從誕生之初，就和美國政府有著千絲萬縷的關(guān)系。在二戰(zhàn)前，美國政府出于軍事科技的需要，就開始為企業(yè)和大學(xué)提供科研資金的支持。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)初期，美國政府除了提供研發(fā)資金外，還扮演著最主要的采購方的角色，可以說最初生產(chǎn)晶體管的企業(yè)正是靠著軍方的訂單才存活和壯大起來。
哪怕在今天，在美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研發(fā)上，美國政府仍然發(fā)揮著“幕后大金主”的角色；在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)乃至一切高科技產(chǎn)業(yè)的外部競爭中，其又充當(dāng)“裁判員”角色；甚至還會直接下場充當(dāng)“運動員”的角色，動用國家權(quán)力來壓制他國政府和企業(yè)，一如當(dāng)年的日本和如今的華為。
而此次加碼芯片禁令，正如美國商務(wù)部表示，此舉涵蓋的“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”包括氧化鎵和金剛石，因為“利用這些材料的設(shè)備顯著增加了軍事潛力”。
目前，我國氧化鎵商業(yè)化剛剛起步，金剛石離商業(yè)化還有較大距離，美國此次實施的出口禁令短期內(nèi)對國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈影響有限，但是長期來看第四代半導(dǎo)體材料仍是重要布局點，占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢至關(guān)重要。
參考來源：
1、高尚等，《新一代半導(dǎo)體材料氧化鎵單晶的制備方法及其超精密加工技術(shù)研究進(jìn)展》
2、蔣騫等，《氧化鎵薄膜外延生長及其應(yīng)用研究進(jìn)展》
3、李龍等，《超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)進(jìn)展及未來展望》
4、趙正平，《超寬禁帶半導(dǎo)體金剛石功率電子學(xué)研究的新進(jìn)展》
5、材料科學(xué)，《金剛石的光芒不止體現(xiàn)在鉆石上》
6、中國電子報，《超寬禁帶半導(dǎo)體：金剛石要攬“瓷器活”》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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