中国粉体网讯 8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）在联邦公报上发布一项临时最终规定，对4项“新兴和基础技术”实施最新出口管制。其中两项便是氧化镓、金刚石这两类超宽禁带半导体材料，且该两项出口管制于8月15日已生效。
（图源：BIS）
那么，为什么美国要限制氧化镓、金刚石的出口呢？
关于第四代半导体材料
高性能半导体器件的制造离不开先进的半导体材料，为了满足半导体器件的使用性能，半导体材料先后经历了以硅、锗为代表的第一代元素半导体材料；以砷化镓、磷化铟为代表的第二代化合物半导体材料和以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料。近年来，随着新能源汽车、高铁、量子通信等领域对超高压高功率器件、深紫外光电子器件、高能射线辐射探测器等高性能半导体器件的需求，金刚石、氧化镓（β-Ga2O3）等具有更大禁带宽度、更高击穿电场、更短吸收截止边等优势的超宽禁带半导体材料引起了国内外学者的广泛关注，被认为是未来支撑信息、能源、交通、制造、国防等领域快速发展的新一代半导体材料。
β-Ga2O3与其他半导体的材料性质对比（图源：蒋骞等，《氧化镓薄膜外延生长及其应用研究进展》）
关于氧化镓
氧化镓是一种透明的超宽禁带氧化物半导体材料，禁带宽度约为4.8eV，击穿电场强度高达8MV/cm，远高于硅（1.1eV，0.3MV/cm）、砷化镓（1.4eV，0.4MV/cm）、碳化硅（3.3eV，2.5MV/cm）、氮化镓（3.4eV，3.3MV/cm）等半导体材料，还具有独特的紫外透过特性（紫外透过率可达80%以上）以及低的能量损耗、高的热稳定性和化学稳定性等优点，是制造高温高频高功率微电子器件、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极的优选半导体材料。此外，氧化镓良好的化学和热稳定性，成本较低、制备方法简单、便于批量生产，在产业化方面优势明显。
在后摩尔时代，具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出，而氧化镓的出现，为产业带来了新风向。作为超宽禁带半导体，氧化镓有望替代碳化硅和氮化镓成为新一代半导体材料的代表。目前，各国的半导体企业都争先恐后布局，氧化镓正在逐渐成为半导体材料界一颗冉冉升起的新星。
国内外氧化镓晶体生长技术的发展趋势（图源：高尚等，《新一代半导体材料氧化镓单晶的制备方法及其超精密加工技术研究进展》）
日本企业Novell Crystal Technology作为氧化镓晶体研发领域的领导者，是世界上最早能够量产氧化镓基础材料（单晶和外延）及器件的企业。他们正在联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头，以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等高校及科研机构，推动氧化镓单晶、衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。
我国也在进行氧化镓的研发。中国科协发布的2021年度“科创中国”系列榜单中，中山大学王钢教授团队自主研发的科研成果“大尺寸氧化镓单晶薄膜异质外延生长技术及核心装备”荣登“先导技术榜”，推动我国氧化镓基功率电子器件的发展和产业化进程。
而在全球半导体产业具有全面领先优势的美国，正在从前沿军事技术布局的角度，大力发展氧化镓材料及功率器件。美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局，积极寻求与美国高校和全球企业合作，开发耐更高电压、尺寸更小、更耐辐照的氧化镓功率器件。
关于金刚石
金刚石是超宽禁带半导体，其禁带宽度为5.5eV，具有高电子迁移率（2000cm2/Vs）、高电子饱和速度（2×107cm/s）、高击穿场强（107V/cm）和高热导率（2000W/mK）等特点，其功率器件的JOHNSON'S优值为宽禁带半导体SiC的10倍。对金刚石材料和器件的研究早于SiC和GaN，由于研制难度大，其发展速度被宽禁带半导体超越。随着SiC和GaN功率电子学进入发展成熟阶段，新的需求又在推动下一代功率电子学的发展，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，被业界誉为“终极半导体”。
近年来，对金刚石单晶、多晶材料在大尺寸、低缺陷密度和p型、n型掺杂等关键技术的研究有了新的突破，并带动了金刚石功率二极管、金刚石功率场效应晶体管（FET）、逻辑电路和金刚石ＲF功率器件的发展，同时将高导热的金刚石材料和GaN HEMT结合以解决其高功率工作时的散热难题，又推动了高输出功率密度的GaN微电子学的发展。
金刚石探测器组件（图源：材料科学，《金刚石的光芒不止体现在钻石上》）
目前全球各国都在加紧金刚石在半导体领域的研制工作。其中，近期代表性的一项成果是日本Adamant并木精密宝石（东京都足立区）与佐贺大学共同开发出了适用于量子计算机存储器的金刚石晶圆制造技术。宣布成功开发了超高纯度2英寸金刚石晶圆的量产方法，其存储能力相当于10亿张蓝光光盘。虽然晶圆缺陷较多，但这意味着钻石晶圆时代的开始。同时，美国初创公司AKHAN半导体专门研究实验室生长的电子级金刚石制备和应用，多次报道出其最新成果。
我国在金刚石方面，做了大量的探索性研究工作，但是与先进国家相比还有巨大差距，主要表现在：关键工艺设备依赖进口，没有自主知识产权，容易遭到国外封锁；单晶金刚石衬底无法在国内稳定获取；没有先进的大尺寸单晶金刚石薄膜的生长工艺等。
结语与展望
美国半导体产业，从诞生之初，就和美国政府有着千丝万缕的关系。在二战前，美国政府出于军事科技的需要，就开始为企业和大学提供科研资金的支持。半导体产业初期，美国政府除了提供研发资金外，还扮演着最主要的采购方的角色，可以说最初生产晶体管的企业正是靠着军方的订单才存活和壮大起来。
哪怕在今天，在美国半导体产业的基础研发上，美国政府仍然发挥着“幕后大金主”的角色；在半导体产业乃至一切高科技产业的外部竞争中，其又充当“裁判员”角色；甚至还会直接下场充当“运动员”的角色，动用国家权力来压制他国政府和企业，一如当年的日本和如今的华为。
而此次加码芯片禁令，正如美国商务部表示，此举涵盖的“新兴和基础技术”包括氧化镓和金刚石，因为“利用这些材料的设备显着增加了军事潜力”。
目前，我国氧化镓商业化刚刚起步，金刚石离商业化还有较大距离，美国此次实施的出口禁令短期内对国内产业链影响有限，但是长期来看第四代半导体材料仍是重要布局点，占据先发优势至关重要。
参考来源：
1、高尚等，《新一代半导体材料氧化镓单晶的制备方法及其超精密加工技术研究进展》
2、蒋骞等，《氧化镓薄膜外延生长及其应用研究进展》
3、李龙等，《超宽禁带半导体氧化镓材料的产业进展及未来展望》
4、赵正平，《超宽禁带半导体金刚石功率电子学研究的新进展》
5、材料科学，《金刚石的光芒不止体现在钻石上》
6、中国电子报，《超宽禁带半导体：金刚石要揽“瓷器活”》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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