中国第四代半导体技术获重大突破:金刚石与氧化镓实现强强联合

2025年2月13日凌晨，中国科技界迎来一则重磅消息：吉林大学刘冰冰教授团队联合中山大学朱升财教授，在国际顶级期刊《Nature Materials》上发表了最新研究论文，宣布团队首次成功合成高质量六方金刚石块材，其硬度与热稳定性远超传统立方金刚石。

几乎同一时间，北方华创公开表示，已为国内多家研究机构提供第四代半导体材料（如氧化镓、金刚石）的晶体生长设备，加速技术产业化。这两项突破，标志着中国在第四代半导体领域不仅实现了“从0到1”的原始创新，更迈出了“从实验室到生产线”的关键一步。  

一、第四代半导体：为何成为“国之重器”？

1. 技术代际之争：从硅到金刚石的性能跃迁

■第一代（硅、锗）：支撑了计算机革命，但已逼近物理极限，难以满足高功率需求。

■第二代（砷化镓）：推动通信技术飞跃，却因成本高昂局限于军工和射频领域。

■ 第三代（碳化硅、氮化镓）：成为新能源车、5G基站核心，但国际竞争激烈，中国仍依赖进口。

■ 第四代（氧化镓、金刚石）：凭借超宽禁带特性（氧化镓4.9eV，金刚石5.5eV），可耐受极端高压、高温和辐射，被誉为“终极半导体”，是量子计算、深空探测、高能武器的“胜负手”。

以氧化镓为例，其能量损耗仅为硅的1/3000，理论可将电动车充电时间缩短至“分钟级”；而金刚石的介电击穿强度是硅的33倍，能在500℃高温下稳定运行，堪称“半导体中的钻石”。

2. 中国必须赢的三大理由

■ 军事安全：氧化镓雷达可穿透复杂电磁干扰，提升导弹制导精度；金刚石芯片可抵御核爆电磁脉冲，成为战略武器“心脏”。

■ 能源革命：若全球数据中心采用氧化镓器件，年节电量相当于三峡电站3年发电量。

■ 产业链自主：中国镓储量占全球68%，但此前高端材料制备技术被日美垄断。如今突破意味着从“卖矿石”转向“卖芯片”。

二、科技突围：从实验室到产业化的“暗夜之战”？

1. 六方金刚石：陨石中的“超级钻石”逆袭

吉林大学团队通过模拟陨石撞击地核的极端环境（50GPa超高压、1400℃），发现石墨可经“后石墨相”转变为六方金刚石，其硬度达155GPa，比立方金刚石高40%，热稳定性突破1100℃。这项成果不仅破解了陨石钻石来源的地质谜题，更将应用于深井钻探、太空舱防护层等极端场景。

■ 毫米级块材合成：突破纳米级限制，采用国产碳化钨压砧技术，将压力极限提升60%。

■ 绿色制造：免清洗工艺减少化学污染，契合碳中和目标。

2. 氧化镓：8英寸晶圆的“极限挑战”

“每增加1英寸，良品率暴跌30%。”西安邮电大学实验室里，陈海峰教授指着泛着紫光的氧化镓晶圆说道。这枚全球最大的8英寸晶圆（是在8寸硅片上制备出氧化镓外延片），曾让团队濒临崩溃——热场温度波动必须控制在±0.5℃，相当于在飓风中保持蜡烛不灭。

转机来自一场“跨界合作”。团队引入航天材料的热仿真模型，将热场稳定性提升10倍。如今，这条产线每片晶圆成本仅500美元，不到日本同类产品（日本NCT公司垄断）的1/3。“以前是追着别人跑，现在我们要换赛道。”陈海峰说。

 

三、全球竞速：中国如何重构半导体权力版图？

1. 技术标准争夺战

中国正推动氧化镓测试标准纳入国际电工委员会（IEC），这是发展中国家首次主导半导体国际标准。而美国对氧化镓的出口管制，反加速了中国国产化进程。

2. 地缘博弈：美国为何“越封锁越被动”？

日本虽掌握63%的氧化镓专利，但中国近3年申请量激增400%，在“创新-量产-应用”闭环中形成压倒性优势。美国智库CSIS报告承认：“传统技术制裁对中国已失效。”

四、SEMI-e 2025宽禁带半导体及功率器件主题专区

在全球竞相追逐第四代半导体技术的背景下，SEMI-e 2025将充分利用华南地区市场优势，打造宽禁带半导体及功率器件主题专区，集中展示第三代半导体碳化硅SiC、氮化镓GaN、石墨及碳材料、立方氮化硼（C-BN）；第四代半导体氧化镓（Ga2O3）、金刚石、氮化铝（AlN）；晶圆、衬底、封装、测试、光电子器件(发光二极管LED、激光器LD、探测器、紫外)、电力电子器件(二极管、MOSFET、JFET、BJT、IGBT、GTO、ETO、SBD、HEMT等)、微波射频器件(HEMT、MMIC)等，为半导体产业链的联动协同注入新的活力。