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氧化镓国产并跑时代:第四代半导体的发展机遇与落地挑战

18小时前
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北京昌龙智芯半导体有限公司(简称“昌龙智芯”)总部落地北京顺义科创产业园,依托本地氧化镓衬底上游资源与新能源汽车下游产业优势布局业务。公司采用 IDM 垂直一体化制造模式,专注氧化镓外延材料、高压功率器件工艺研发、晶圆加工生产、代工与销售,商业模式部分对标氮化镓行业龙头英诺赛科。产业端联动国内氧化铝、金属镓资源龙头打通产业全链路链,携手头部封测企业,完善下游应用落地配套。

编者按

硅基器件逼近物理性能天花板,碳化硅、氮化镓开启第三代半导体产业化浪潮,以氧化镓为代表的超宽禁带材料,被视作下一代功率半导体核心方向。和前面几代半导体材料相比,氧化镓有一个突出优势:耐受高压的能力更强,适配电力传输、特种装备场景,但掺杂、散热仍是量产拦路虎。本期《芯片揭秘·大咖谈芯》对话昌龙智芯联合创始人兼总经理赵金耀,拆解氧化镓差异化赛道价值、技术卡点、落地路径与长期发展前景。

欢迎收听对话播客

*以下为播客文字整理版,已获嘉宾确认和授权。

跳出硅基内卷,锚定氧化镓增量蓝海

幻实:赵总,您的职业生涯早期从事进口芯片销售与国产元器件代理,近年则躬身入局联合创立聚焦氧化镓的昌龙智芯。请问您亲身经历的这次转型,是基于怎样的行业判断?

赵金耀:我从业二十余年,始终扎根半导体行业,之所以坚定转型布局第四代半导体,核心源于对产业迭代规律的长期观察。当前硅基芯片占据全球91%以上的市场份额,技术体系成熟、产业链完善,但早已达到物理性能极限,且核心专利、制备工艺、核心设备长期被海外体系垄断,国内企业仅能在存量市场跟随布局,难以实现突破性超越。

反观碳化硅、氮化镓等第三代半导体,国内企业已实现部分领域的弯道超车。最典型的就是英诺赛科,虽然不是氮化镓的最早入局者,却凭借成熟的产业化路径成长为全球头部企业。这也印证了——新兴半导体赛道不存在固化垄断,国产企业完全有换道领跑的机会。因此,我们判断以氧化镓为代表的第四代半导体,是深耕产业、创造价值的关键方向。

幻实:您看到了第四代半导体的一个弯道超车机会。请您拆解一下,对比硅基、碳化硅、氮化镓,氧化镓真正的差异化优势和专属市场机会在哪里?

赵金耀:半导体材料迭代的核心,是突破前代材料的性能瓶颈。硅基器件成熟度高、成本可控,适配消费电子、通用家电等常规场景,但其耐压、导通性能有限,无法适配超高工况场景。碳化硅、氮化镓经过十余年发展,已进入产业化平稳期,性能边界也逐步固化。

氧化镓具备超宽禁带、超高耐高压、低导通损耗的核心优势,是前三代半导体材料无法替代的。在超高压输电算力中心节能、特种雷达、高精度导航等极端工况、高要求场景中,氧化镓器件都能实现更低功耗、更高稳定性,填补了高端功率器件的市场空白。

幻实:所以它和现有器件并不是替代关系,而是打开一批以往器件无法支撑的全新应用场景。

赵金耀:各类半导体器件,我们认为都有它们适配的最优应用区间。以硅器件为例,它的成熟度让其十分适配消费电子、通用家电领域;但面对超高压、复杂工况场景,就需要新型材料去补齐能力。

第四代半导体材料包含金刚石、氮化铝、氧化镓等,各有优势。金刚石性能优异,但材料制备、器件加工难度极高,短期内产业化难度很大。综合对比之下,我们团队更看好氧化镓的发展前景。

幻实:想进一步请教,目前氧化镓整条技术路线的成熟度处于什么阶段?是否已经有器件进入商业化阶段?

赵金耀:从我们看到的产业公开信息来看,目前这条技术路线仍处于实验和加速验证阶段,短期还不具备大规模商业化的条件。核心存在两大瓶颈:一是掺杂问题,二是器件的散热问题。两项指标直接决定了器件的最终应用能力。无论何种功率器件产品,最终都要落地场景验证,如果这两大痛点不解决,就很难实现规模化落地。像刚才说的电力传输、特种导航等目标应用场景,对器件功耗、热管理、可靠性都有着严苛要求。

中外并跑:氧化镓产业窗口期

幻实:基于当前行业现状,昌龙智芯在氧化镓赛道完成了哪些布局?目前推进到哪个阶段,是否已有样片或产品?

赵金耀:我们公司的创始团队,连同上游产业股东方衬底材料企业,在氧化镓材料器件等环节已经积累了一定的行业基础。现阶段我们在攻关外延产业化工艺,联合九峰山实验室、多家高校开展科研合作与中试开发,优先打通外延量产技术。在此基础上,我们借助自有投入与外部配套设备完成器件制备,推进工程化验证和晶圆加工服务。只有完成一系列关键技术和服务能力突破之后,我们才会联合更多应用产业方推进更大规模化商业应用。

幻实:您刚刚提到外延技术,目前国内氧化镓外延产品似乎还存在供给缺口?国产化程度也不高,那海外友商进展怎么样?

赵金耀:现阶段国内氧化镓外延材料尚未完全形成稳定、成熟的供应体系。海外代表企业 NCT去年释放消息称已有工程批次样品,但市场端暂未看到实质性大规模交付。

我们判断存在两种可能性:一方面,前沿技术存在技术封锁;另一方面,相关技术路线试验失败了,需要进一步迭代。

幻实:由此来看,氧化镓赛道最先落地的场景,大概率集中在特种行业?

赵金耀:其实整个半导体产业普遍存在“先军后民”的发展路径。产业起步阶段,刚需特种市场可以接纳新技术,短期不考虑成本,允许持续开展产品验证与试错。技术成熟之后,再逐步由特种领域向民用市场渗透。

氧化镓虽然被称作第四代半导体材料,但它跟前三代材料有市场的连贯性和产业的衔接性,产业技术迭代循序渐进,全新材料很难脱离现有应用体系凭空落地。

幻实:海外存在较强的技术封锁,可能也正是因为这些技术早期应用集中在特种领域,他们不可能让我们轻松地追赶上来。你们相当于做“第一个吃螃蟹的人”。

赵金耀:没错,我们是开拓者。

幻实:听下来,这条赛道要整合的资源和拉通的产业链条很长,从衬底、外延、器件到配套设备都需要持续培育。请问支撑团队坚持投入的底气来自哪里?

赵金耀:可以参考氮化镓赛道英诺赛科的弯道超车路径。它并非行业最早入局者,最终成长为全球头部企业,为后来者提供了清晰参照。从另一角度来讲,第三代半导体的发展具备借鉴意义,新兴宽禁带赛道同样存在复制相似成长逻辑的可能性。氧化镓材料特性在特种、高压电力场景已经得到理论与初步试验验证,长期具备可观的发展空间。

从试样到商用:氧化镓发展周期预判

幻实:目前行业内有没有其他企业实现氧化镓器件样品流出?

赵金耀:当前赛道参与者仍以各大科研机构为主,市场化企业基本停留在衬底、外延前置材料环节,器件端成果还较少。昌龙智芯通过与科研机构合作,已经完成了器件样品开发,在行业内处于相对靠前的位置。

幻实:能否简单介绍一下你们器件样品形态与目标应用场景?

赵金耀:依托外延工艺,我们已经开发出氧化镓肖特基二极管(SSPD)和氧化镓MOS功率器件,可面向实验室、科研机构以及部分工程客户开展前期的工程测试验证。

就在4月下旬,我们已经与部分电力装备头部企业开展对接,他们是做高压输配电装备的,而超高压电力应用是我们优先瞄准的高附加值场景下其中一个重要的落地方向。

幻实:业内普遍认为氧化镓的导热率偏低,显著低于碳化硅,布局电力场景是否会受到散热条件制约?

赵金耀:散热确实是绕不开的核心难题,和掺杂问题一样,属于材料本身特性带来的固有挑战。目前我们正联合材料端的合作伙伴、科研机构与这次长江光电产投关于热管理和先进封装的提前布局,尝试调整材料制备工艺、薄膜外延方案、定制封装,探索改善热管理的可行路径。

幻实:后续仍需要持续开展大量工艺优化工作。接着想请教,昌龙智芯如何定位自身模式,偏向IDM还是虚拟IDM?

赵金耀:现阶段我们的定位偏向轻IDM模式

幻实:重资产全链条布局压力不小,有没有考虑聚焦单一环节,比如说只做材料 或者器件设计,轻量化发展?

赵金耀:从长期产业发展规律来看,如果想要掌握核心技术与产业话语权,IDM模式更容易形成产业主导能力。倘若只布局单一环节,很难形成不可替代的核心竞争力。

幻实:全链条布局意味着巨大资本开支与多环节技术攻坚,请问资金问题如何解决?

赵金耀:4月九峰山展会期间,我们已经与国内上游材料供应链及长江光电产投等产业方、投资机构开展深度交流并达成合作意向。随着行业持续普及、技术不断推进,产业资本对赛道的认知会持续加深。只要打通技术与市场的对接,资金层面的压力可能会迎刃而解。

幻实:作为赛道先行者,您如何预判氧化镓器件整体的成熟周期?完整产业化还需要克服哪些挑战?

赵金耀:我们判断,外延材料工艺与器件制备产线还需要一至两年左右的基础技术铺垫,行业规模化爆发大概率需要3~5年时间。

前路核心挑战依旧是技术突破:外延制备工艺、可控掺杂方案,还有刚才您提到的散热问题。上述问题取得实质性突破后,氧化镓在电力传输、算力电源配套、特种装备领域,才能迎来规模化落地窗口。

产学研联动,蓄力产业长远发展

曹幻实:昌龙智芯与九峰山实验室是什么样的合作模式?技术协同覆盖衬底、外延还是器件环节?

赵金耀:九峰山实验室主攻化合物半导体方向,氧化镓是其中重要分支。双方优势互补:我们拥有独立技术路线与产业团队,实验室具备完善设备平台与研发力量。

跟九峰山实验室合作重心不在衬底材料方向,而是放在外延验证及器件研发方向,这和我们的研发方向高度重合。

幻实:双方是否计划联合成立实体公司来推进项目?

赵金耀:暂时没有相关规划。双方以联合技术迭代为主,实验室投入设备与研发人力,技术成果采用双方共有或者差异化权属划分的模式开展合作。

幻实:本质上还是共建实验转化平台,通过集约化投入降低初创企业初期研发成本,也是武汉光谷产业布局的巧妙之处。请问您深耕半导体行业二十余年,对于有志进入半导体,尤其是宽禁带赛道的年轻从业者,有哪些建议?

赵金耀:早期行业门槛相对有限,伴随技术竞争加剧,门槛持续抬升;行业也从过去追随海外,逐步走向自主创新。外部技术封锁的背景之下,国内半导体产业是大有可为的。建议有机会进入这个行业的年轻人,能沉下心长期深耕,把半导体作为长期事业坚持下去,发展空间值得期待。

幻实:所以半导体还是一个值得长期深耕的行业,不是会被AI替代的方向,机会还有很多。

赵金耀:我身边也有不少后辈,在我的建议下选择半导体相关专业。我的外甥就是其中之一,他也是在我的推荐下考入了西安电子科大,去年去华中科技大学读了光电子相关的博士。当时我给他的建议就是说,光电子这条赛道国内刚刚起步,沿着这个方向一步一步走下去,大有可为。

幻实:您也是身体力行地在指引年轻后辈加入这个行业,看得出您是真的看好这个赛道。氧化镓作为一个新兴赛道,国内企业跟海外巨头差距并不悬殊,存在并跑,乃至实现局部领跑的机会。非常期待昌龙智芯后面取得更多的技术进展,也欢迎后续再来《芯片揭秘》分享。

赵金耀:好的,谢谢。

END

采访 | 幻实   编辑 | 小茄   审核 | 幻实

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《芯片揭秘》是由艾新教育&茄子烩精心策划的一档科技新媒体栏目。栏目由茄子烩CEO曹幻实女士担任主持人,谢志峰博士担任主讲人,特邀半导体产业内从业者、参与者、见证者,通过对话展示嘉宾观点、解读行业发展趋势,呈现产业人最真实的心声,打造独一无二的产业人自己的发声平台。