（首发链接：https://www.toutiao.com/article/7213773651433275944/）

伴随着近期人工智能、算力、芯片半导体等板块题材的活跃，第四代半导体的概念也顺势一度上过热搜。那么，到底什么才是第四代半导体？前两年还不是在说第三代半导体，是不是什么第二代、第三代半导体材料都很快要成为历史了？

今天，就让我们借助，对半导体材料发展历程的梳理，来回答上述的问题。

首先要明白一点，我们所说的，第1、2、3、4代半导体，指的是材料。表面上看，半导体材料的代际划分是按照时间线，而本质上是材料技术的革新，以及对微电子领域发展的影响。

（今天的主题是半导体材料，重点是第四代半导体。如果对半导体芯片领域的一些专业词汇，更详细的发展历程，以及第三代半导体的细节，可以去看我21年的文章，里面说的比较详细。）

第一代半导体，也是最早的半导体材料，是单质材料，因此也被称为“元素半导体”。虽然世界上第一只晶体管是由锗（Ge）生产出来的，且锗的最外层电子能级相较于硅（Si）要高，但更高的电子能级除了带来更好导电性的同时，也带来了非必要能耗与器件耗损。此外，在储量和价格上，锗也不具优势。所以，发展至今，包括硅（包括硅基）器件占到了全球销售的半导体产品的95%以上。

站在世界半导体材料发展的角度来看，我国的起步也并不晚。可以说是也赶上了上世纪50年代开启的，硅半导体材料工业化兴起。（1957年，北京电子管厂拉出了锗单晶，并由中科院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发出锗晶体管；1959-60年，天津拉制出硅（Si）单晶、砷化镓（GaAs）单晶。）

硅半导体材料工业化的兴起，带动了当时以集成电路为核心的微电子产业的快速发展，被广泛的应用于消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。如果没有硅半导体材料的出现及大规模应用，也就不会有取代电子管的微电子工业发展，如我们现在常见的CPU、GPU等产品也都不会出现。

随着技术的进步，以及微电子行业要求的提升，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等因素，硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。所以在上世纪80年代，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料概念被提出，并很快被大量应用在光电子，尤其是红外激光器和高亮度的红光二极管领域。

第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础，第二代半导体材料奠定了通信产业的基础。进入4G时代后，大量的第二代半导体材料器件被用在通信基础设备，如毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航等。步入5G时代后，这个需求还会增大。据集邦咨询顾问预测，中国手机砷化镓PA市场将从2019年的18.76亿美元增长到2023年的57.27亿美元，年复合增长率达到19.17%。

不过，因为第二代半导体材料本身存在毒性（砷化镓能污染环境、磷化铟被认为是可疑致癌物质），且在高功率器件需求增加的背景下，人们希望有在高压、高温、高功率环境下表现更好的半导体元器件出现。第三代半导体材料的概念很快被提出。

目前主流的、有产业化潜力的第三代半导体材料是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），主要应用领域是功率器件和射频器件。从技术成熟度和工业化角度来看，碳化硅是目前技术、器件研发最为成熟的宽禁带半导体材料，产量要远大于氮化镓。

对比碳化硅和氮化镓，它们的相对优势导致被设计用于不同的领域。碳化硅拥有更高的热导率，主要对标高功率器件，被认为可以大量替换硅基芯片。氮化镓有高临界磁场、高电子饱和速度、极高的电子迁移率等优势，比碳化硅和纯硅基有更高的开关速度，在高频率领域具备优势，是超高频器件的极佳选择。此外，业界也结合两者的优势，提出了碳化硅/氮化镓[Sic-GaN]射频器件概念：用碳化硅作为衬底材料，在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延，在高频领域选择氮化镓外延。

严格来说，第四代半导体材料的概念是在近5至10年内被提出。它的被重视，主要得益于22年底、23年初，我国在该领域取得了快速进步。

氧化镓材料的早期研究发展史；来源：果壳硬科技

如果从推动需求发展因素的角度来看，第四点半导体材料的主推动力是人工智能与量子计算。尤其是近期“量子芯片/计算机”、“GPT4.0”等关键词的出现，让我们看到了，一个可以实现的，并且在短期内，会比“元宇宙”这个概念，更快实现的新时代来临。这个时代的决定性因素是算力，并且伴随算力需求的提升，硬件端必然会需要更小体积、更低功耗，但性能更强的半导体元器件作为基础支持。

可以这么说，前三代半导体材料的发展，很大程度是“奠基性”、“开创性”，到了第四代半导体材料的发展，则会走向“细化”，即带有很强的某些重点领域发展的需求导向性。当然，第四代半导体材料最快的产业化，也包括了全面替代第三代半导体材料，在功率器件以及射频芯片中的应用。

第四代半导体材料包括超宽禁带半导体和超窄禁带半导体，前者包括氧化镓、金刚石、氮化铝，后者如锑化镓、锑化铟等。从一定时期内的技术发展成熟度来看，氧化镓（Ga2O3）是最可能在未来几年内，实现从实验室到工厂的第四代半导体材料。我国部分产业机构认为，作为第四代半导体材料中最可能快速解决产业化技术瓶颈的氧化镓，有望在未来10年内完全替代碳化硅和氮化镓市场，并成为我们在芯片半导体领域的一个“弯道超车”。

对比碳化硅、氮化镓和氧化镓的理论物理性能，能够发现，氧化镓与第三代半导体不再是“相对优势”的互补关系，而是有望凭借“超宽带隙（4.2-4.9eV）”、“超高临界击穿场强（8MV/cm）”和“超强透明导电性”等优势，在未来替代碳化硅和氮化镓。

图：氧化镓潜在应用方向

简单来说，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，且在同等规格下，宽禁带材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积。氧化镓比碳化硅和氮化镓的禁带宽度要大很多，在同等技术产业化技术成熟度的条件下，氧化镓器件更耐高压、耐高温、大功率、抗辐照、低成本。

从成本角度来看，当前生产氧化镓的成本的60%来自于生产过程中所需的稀有金属铱坩埚。

不同氧化镣晶体制备方法的优缺点对比，来源：《机械工程学报》

假如未来可以找到优化坩埚损耗甚至替代铱坩埚的方法，根据Joule杂志2019年美国NREL（Strategic Energy Analysis Center at National Renewable Energy Laboratory国家可再生能源实验室-战略能源分析中心）的一篇文章How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?》中展示的衬底成本模型和技术改进效果预测，单片氧化镓的晶圆成本可由当前的283美金下降到195美金，大大低于碳化硅的成本（916美金）。

图：氧化镓vs.碳化硅——制取成本对比

这也是为何说，氧化镓半导体材料最快产业化的切入点，是在功率器件以及射频芯片中全面替代碳化硅和氮化镓的理论基础。

目前我们认为，并也在做的产业化、商业化推进的是β相氧化镓。

氧化镓有α、β、γ、ε和δ这5种同分异构体，其中β-Ga2O3最为稳定。当环境温度加热至1,000℃，或采用水热条件（即湿法）加热至300℃以上时，其他所有亚稳相的异构体都会被转换为β相异构体。

氧化镓各同分异构体相互转换关系，来源：《物理学报》

从当前的国际竞争格局来看，美国的Kyma Technologies和日本的FLOSFIA与Novel Crystal Technology是氧化镓衬底、晶圆和器件的开发商和制造商的标杆企业。

氧化镓单晶生长技术情况；来源：果壳硬科技

2008年，日本京都大学藤田教授发布了氧化镓深紫外线检测和SchottkyBarrier Junction、蓝宝石（Sapphire）晶圆上的外延生长（Epitaxial Growth）等研发成果。2012年，日本率先获得2英寸氧化镓材料，并于2014年实现了批量产业化，随后又实现了4英寸氧化镓材料的突破及产业化。2015年，推出了高质量氧化镓单晶衬底。2016年，推出了同质外延片，此后基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现，引起全球半导体材料研究领域的高度关注与布局。

2016年，Kyma Technologies将氧化镓添加到其产品线中。2018年，中国启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究，并在2022年将氧化镓材料列入“十四五重点研发计划”。2021年，Novel CrystalTechnology全球首次量产了100mm 4英寸的“氧化镓”晶圆。2022年，Novel CrystalTechnology与大阳日酸株式会社、东京农业技术大学合作，将备受关注的氧化镓（β－Ga2O3）用HVPE法成功地在6英寸晶圆上沉积。FLOSFIA与三菱重工、丰田汽车子公司电装和大规模生产使用氧化镓（硅的替代品）作为半导体材料的功率半导体。

从产业化（或者说商业化）的角度来看，日本在该领域处于领先地位，开始尝试落地于新能源汽车功率器件和部分射频芯片领域。

根据FLOSFIA的预测，2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓，2030年达到15.42亿美元（约人民币100亿元），达到碳化硅的40％，达到氮化镓的1.56倍。仅从新能源汽车市场角度来看，据TrendForce集邦咨询统计，2022年全球新能源车销售量约1,065万辆，渗透率约为15%，而碳化硅的渗透率仅为9%。因此，伴随新能源车销量的增长与渗透率提升，在碳化硅或氮化镓产品也仅仅初入市场的时候，氧化镓有很大的时间窗口优势，加快产业化进度来填补这块缺口。

全球功率器件市场和氧化镓功率器件市场规模（百万美元）

据最新的产业新闻报道，Novel Crystal Technology拥有可将成本降低到三分之一的自主工艺，当前正在加紧推进配备在纯电动汽车上的功率半导体使用的氧化镓晶圆的实用化，并计划2025年起每年生产2万枚100毫米晶圆，到2028年量产生产效率更高的200毫米晶圆。

从射频芯片市场的角度来看，氧化镓基产品可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场。2020年碳化硅外延氮化镓射频器件市场规模约8.91亿美元，2026年将增长至22.22亿美元（约人民币150亿元）。

回到我国氧化镓的研发与生产上，目前国内有4家产业公司是明确指向性氧化镓材料的研发。从这4家企业的结构来看，均为国资/政府参与主导的，产业资本与人士参与模式。

回到二级市场本身，与氧化镓半导体概念强相关的，均是参股或参与了以上4家公司的上市企业。次一级概念的是宣称自己，或参控股公司有氧化镓相关的生产技术。排在最后的概念公司，则为与氧化镓的原材料，金属镓生产制取或销售相关。

以上就是对“第四代半导体材料”这个芯片半导体概念点的简单分析说明。从宏观的角度来看，今年中国股市已经启动，并且极大概率还将有较长持续性的主线之一，是大信创。关于“什么是‘大信创’”，之前已经有相关的内容说明。

短期来看，政策风口改变的（云、AI）游戏板块依旧处于历史相对低估值区域。市场资金理论上也将有一定的概率做切换：暂时从游戏、电商等最易关联到的应用端，发散至算力硬件与芯片半导体“卡脖子”的基础支持端。

（以后有机会，会在ETF层面，剖析当前A股市场这么多芯片半导体ETF到底哪个更“正宗”）

或许有朋友会认为，硬件基础端早在应用端之前已经有过一波行情，但是想必于这段时间应用端的涨幅呢？再结合中美局势，我国的政策导向（包括我们这篇文章说的氧化镓也被美国纳入对中国的制裁目标之中），是不是依旧有很大的想象空间呢？

【郑重声明】

本文内容纯属个人观点分享，依据客观市场资料、公开信息以及数据，所做的资料整合与合理客观分析，不含任何投资理财导向以及其他意图！市场有风险，投资需谨慎！