電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）上周末，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）在聯(lián)邦公報上公開了一份文件，披露將對包括兩種超寬禁帶半導(dǎo)襯底（氧化鎵和金剛石）、設(shè)計用于開發(fā)任何GAA FET結(jié)構(gòu)集成電路的電子計算機輔助軟件（EDA/ECAD）、用于生產(chǎn)和開發(fā)燃氣渦輪發(fā)動機部件或系統(tǒng)的壓力增益燃燒（PGC）技術(shù)在內(nèi)，共四種技術(shù)實施出口管制。

在文件中還提到，這次修訂增加的新技術(shù)管制，是反映了去年12月瓦森納協(xié)定全體成員會議上對部分管制措施作出的決定。其中，氧化鎵和金剛石襯底、以及PGC技術(shù)的出口管制將會在美國當(dāng)?shù)貢r間2022年8月15日起生效，也就是從北京時間周一中午12點開始。而用于開發(fā)GAA FET的EDA/ECAD出口管制，將在2022年10月14日起生效，但還需要收集更多關(guān)于對執(zhí)行情況的意見，并需要在9月14日之前提交。

很顯然，現(xiàn)在的瓦森納協(xié)定主要作用是通過出口管制鉗制中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，每年12月的會議上，都會增加對華的出口限制，包括半導(dǎo)體、高端制造領(lǐng)域等技術(shù)。那么，已經(jīng)實施出口管制的三種技術(shù)會對國內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)造成怎樣的影響？國內(nèi)在這些技術(shù)上的進展到哪了？下面我們會對氧化鎵、金剛石、PGC這三種技術(shù)，做一個簡單的分析。

氧化鎵

其實氧化鎵和金剛石，都被歸類為第四代半導(dǎo)體。第三代半導(dǎo)體的碳化硅、氮化鎵都已經(jīng)在近幾年得到廣泛應(yīng)用，特別是在電源、新能源汽車、基站射頻器件、電網(wǎng)、高鐵等領(lǐng)域。那么第三代半導(dǎo)體和第四代半導(dǎo)體差別在哪？

我們都知道第三代半導(dǎo)體也被稱為寬禁帶半導(dǎo)體，而第四代半導(dǎo)體的一個重要特性就是“超寬禁帶”，禁帶寬度在4eV以上（金剛石5.5eV，β-Ga2O3 禁帶寬度4.2-4.9eV），相比之下，第三代半導(dǎo)體中碳化硅禁帶寬度僅為3.2eV，氮化鎵也只有3.4eV。更寬的禁帶，帶來的優(yōu)勢是擊穿電場強度更大，反映到器件上就是耐壓值更高，同樣以主流的β結(jié)構(gòu)Ga2O3材料為例，其擊穿電場強度約為8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化鎵也高出一倍以上。

在應(yīng)用層面上，氧化鎵主要被應(yīng)用于光電以及高功率的領(lǐng)域。由于氧化鎵高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，特別是在紫外和藍光區(qū)域透明，因此日盲紫外探測器是目前氧化鎵比較確定的一條應(yīng)用路線。

而功率應(yīng)用上，氧化鎵其實跟氮化鎵、碳化硅等第三代半導(dǎo)體有部分重合，從功率500W左右的消費級電源，到高鐵、電網(wǎng)，甚至是航母上的電磁彈射都可以用到。但相比于氮化鎵和碳化硅，氧化鎵功率器件在成本、結(jié)構(gòu)尺寸、超高壓應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展速度上都具備很大優(yōu)勢。

首先是發(fā)展周期。碳化硅已經(jīng)經(jīng)歷了30年的發(fā)展周期，才來到6英寸襯底；但氧化鎵發(fā)展了近10年就已經(jīng)實現(xiàn)6英寸的襯底，從時間節(jié)點來看顯然發(fā)展速度較快。而在成本上，以6英寸的襯底為例，氧化鎵初期成本283美元，對比同時期成本為916美元的碳化硅襯底顯然有很大優(yōu)勢。并且通過成本的進一步優(yōu)化，6英寸氧化鎵可以做到195美元，最新的數(shù)據(jù)顯示甚至可以低至120美元左右。同時在器件尺寸上，相比同樣功率等級的硅基功率器件，氧化鎵體積可以降低30-150倍之多。

當(dāng)然沒有任何一種材料是完美的，氧化鎵也是如此。氧化鎵其中一個致命弱點是導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱率僅為金剛石的1/6，是碳化硅的1/10，這對器件散熱提出不小的挑戰(zhàn)，高溫可能會對器件壽命產(chǎn)生一定影響。

從產(chǎn)業(yè)的角度來看，材料方面日本較為領(lǐng)先，三菱重工、豐田、日本電裝、NCT、日本光波等企業(yè)發(fā)展迅速，比如NCT的2-4英寸氧化鎵襯底已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，并在2018年成功制備6英寸β-Ga2O3單晶片。

而美國在器件領(lǐng)域發(fā)展較早，包括美國空軍研究實驗室、美國海軍實驗室和美國宇航局等多家國防機構(gòu)都在與當(dāng)?shù)馗咝：献鏖_發(fā)氧化鎵器件。

聯(lián)邦公報上公開的文件就有提到：Ga2O3 和金剛石在軍事應(yīng)用中具有很大潛力，用這兩種材料制成的器件預(yù)期可以在更嚴苛的環(huán)境下工作，比如更高的電壓和更高的溫度。目的很明確，就是針對軍事用途上的潛力而對氧化鎵和金剛石襯底進行出口管制。具體管制的內(nèi)容，包括開發(fā)、生產(chǎn)這些材料的技術(shù)，以及采用這些材料制造的電子元件。

前面也提到氧化鎵可以被用在航母的電磁彈射系統(tǒng)上，除此之外，氧化鎵還具備一定的射頻應(yīng)用潛力。比如美國空軍研究實驗室的一個團隊此前曾制造了第一個射頻增益和功率開關(guān)損耗低于硅的氧化鎵FET，該團隊認為氧化鎵可能會與氮化鎵器件在射頻方面形成互補，在特定的工作類別中有潛力提供更高效率和更高的輸出功率。

國內(nèi)氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化起步稍晚，主要停留于科研階段。不過近幾年資本開始關(guān)注氧化鎵的發(fā)展?jié)摿Γ仪懊嫣岬窖趸壍漠a(chǎn)業(yè)化發(fā)展速度非常快，因此在資本的青睞下國內(nèi)氧化鎵產(chǎn)業(yè)也在快速崛起。目前國內(nèi)專注于氧化鎵材料的公司有包括鎵族科技、富加鎵業(yè)科技、銘鎵半導(dǎo)體、進化半導(dǎo)體等，其中銘鎵半導(dǎo)體表示已經(jīng)可以小批量供應(yīng)2-4英寸的氧化鎵襯底。

而在科研機構(gòu)方面，據(jù)報道，中電科46所在2018年底制備出國內(nèi)第一片高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。另外，西安電子科技大學(xué)以及中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息研究所在2019年底公布了氧化鎵功率器件領(lǐng)域的新進展，首次將晶圓級β相氧化鎵單晶薄膜（400nm）與高導(dǎo)熱的硅和4H-SiC襯底晶圓級集成，并制備出高性能器件，推動氧化鎵在高功率器件領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。

金剛石

與氧化鎵同屬第四代半導(dǎo)體的金剛石，發(fā)展進度相對氧化鎵要滯后不少。金剛石材料具備載流子遷移率高、載流子飽和漂移速率大、擊穿場強大等特性，是制造大功率、高溫、高頻器件的理想材料，被稱為“終極半導(dǎo)體材料”。

當(dāng)然，“完美”的材料往往意味著難以被制造。常規(guī)的金剛石材料屬于絕緣體，通過硼摻雜可以實現(xiàn)p型導(dǎo)電，然而由于硼摻雜金剛石電離能較高（0.37 eV），在室溫下很難完全電離， 而重摻雜又往往導(dǎo)致金剛石表面損傷，半導(dǎo)體性質(zhì)下降，因此限制了金剛石材料在半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用和發(fā)展。

作為自然界熱導(dǎo)率最高的材料，金剛石的應(yīng)用路徑還包括作為GaN功率器件的襯底，以幫助其散熱，實現(xiàn)更高頻率和更高功率。從2008年開始，歐盟投入資金推動化學(xué)氣相沉積方法（CVD）在GaN器件背面生長金剛石。隨后美國國防部高級研究計劃局、海軍研究辦公室等投入大量資金，聯(lián)合大學(xué)（英國布里斯托大學(xué)、美國佐治亞理工、斯坦福等）、半導(dǎo)體公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推動金剛石基GaN器件的發(fā)展。

但價格高昂，使得金剛石襯底的氮化鎵器件的應(yīng)用被限制在國防和航天等領(lǐng)域。富士通在2017年宣布，將碳化硅基氮化鎵器件通過常溫鍵合到單晶體金剛石上，成功令氣象雷達探測距離增加了約1.5倍。到了2019年，富士通成功在氮化鎵器件表面通過CVD法生長出金剛石，通過兩面散熱進一步降低器件溫度。

同年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）與三菱電機、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所合作，首次開發(fā)出了高功率和高效率的多單元GaN-HEMT。

襯底方面，在2021年，美國的AKHAN宣布開發(fā)出首個12英寸金剛石襯底，早前AKHAN已獲美國能源部阿貢國家實驗室的金剛石半導(dǎo)體工藝授權(quán)，再結(jié)合自身在金剛石領(lǐng)域的技術(shù)突破，有望成為全球首家實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)化的公司。

國內(nèi)金剛石半導(dǎo)體材料和器件研究，主要集中在高校以及研究所，包括中科院半導(dǎo)體所、中科院金屬所、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等。而在金剛石材料上，國內(nèi)在CVD法制備的工業(yè)金剛石上較為成熟；不過半導(dǎo)體金剛石材料主要通過MPCVD法制備，目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)處于早期階段，部分公司逐步開始實現(xiàn)投產(chǎn)。

增壓燃燒（PGC）

PGC是一種增加燃氣輪機發(fā)動機效率的技術(shù)，效率有潛力提高10%以上。而這項技術(shù)主要的應(yīng)用于航天應(yīng)用，如火箭和高超音速系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機經(jīng)過穩(wěn)定的亞音速燃燒，會導(dǎo)致壓力損失。而PGC利用了多種物理現(xiàn)象，包括共振脈沖燃燒、定容燃燒和爆震，來推動燃燒器上有效壓力的上升，同時消耗與定壓燃燒器相同量的燃料。

PGC技術(shù)依賴于漢弗萊（或阿特金森）循環(huán)，可以提高燃燒室的壓力，可以作為提高燃氣輪機動力系統(tǒng)效率的一種手段，具有很大的潛力。在燃氣渦輪發(fā)動機中使用PGC的兩個主要優(yōu)點是，它減少了燃燒循環(huán)的本質(zhì)上不穩(wěn)定的性質(zhì)，增加熱力效率；以及由于燃燒室中的壓力增加，它允許壓縮機中的級數(shù)更少，令發(fā)動機更加緊湊。

有意思的是，文件中提到美國商務(wù)部還未發(fā)現(xiàn)使用PGC技術(shù)生產(chǎn)的發(fā)動機，但發(fā)現(xiàn)了大量相關(guān)研究。美國商務(wù)部還重點提到 ，PGC提供了軍事優(yōu)勢，比如更長的續(xù)航時間和更小的體積。事實上目前基于PGC的火箭、航天運載火箭、導(dǎo)彈和軍用燃氣渦輪發(fā)動機的推進系統(tǒng)以及與之直接相關(guān)的技術(shù)，已經(jīng)是美國軍火清單（USML）中描述的國防物品。但他們認為，PGC技術(shù)未來有可能被用在商用或工業(yè)的燃氣渦輪發(fā)動機上，因此需要對其進行管制。

來源：清華大學(xué)公眾號

今年1月，清華大學(xué)宣布自主研發(fā)的新型沖壓發(fā)動機成功發(fā)射，從描述中可以了解到，這款發(fā)動機屬于超燃沖壓發(fā)動機，用到了PGC技術(shù)提高沖壓機效率。

小結(jié)：

從目前已經(jīng)開始實施出口管制的三種技術(shù)來看，國內(nèi)外雖然有一定差距，但差距并不算大，因此對國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)可能暫時不會有太大影響。而GAA FET EDA/ECAD軟件的出口管制最終是否落實，可能還需要到10月份才會有結(jié)果。無論如何，美國商務(wù)部在半導(dǎo)體技術(shù)上對華持續(xù)收緊，對國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言則會是繼續(xù)堅定實現(xiàn)全面自主化的信號。