美国为何急着封锁金刚石、氧化镓半导体材料技术？技术无价

知情郎·眼|侃透天下专利事儿

针对中国！

日前，美国商务部工业和安全局(BIS)发布公告，称出于国家安全考虑，将四项“新兴和基础技术”纳入新的出口管制。

这四项技术是

1）能承受高温高电压的第四代半导体材料氧化镓和金刚石为代表的超宽禁带半导体材料；

2） 对设计GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路所必须的，专门用于3nm及以下芯片设计的ECAD(EDA)软件；

3）可用于火箭和高超音速系统，即燃气涡轮发动机使用的压力增益燃烧技术(PGC)。

其中三项涉及半导体领域！

根据BIS公告，对氧化镓、金刚石以及压力增益燃烧技术的出口管制将自今年8月15日起生效，对ECAD软件的出口管制将在自今年8月15日起60天后生效。

一众吃瓜 友们热议，美国人的科技制裁大棒越舞越凶，不给中国丝毫抄作业钻空子的机会。

知情郎感慨，好东西好技术美国人迫不及待要封锁，至于大路货、廉价货天天四处廉价兜售各种话术包装要卖出去。

唉，文科的情怀真不值钱，家国的忠诚果然廉价，老板们只要货物和技术工艺啊！

看来，中方高层天天喊构建人类命运共同体，曲高和寡，美国人可不贡献自家前沿技术。

简单介绍2句出口管制的技术背景：

宽禁带半导体材料氧化镓(Ga2O3)和金刚石：氮化镓和碳化硅是生产复杂的微波、毫米波设备，或大功率半导体器件的主要材料。而氧化镓和金刚石有潜力能制造出更加复杂的设备，同时能耐受更高的电压或温度。

开发GAAFET(全栅场效应晶体管)结构集成电路的EDA软件：电子计算机辅助软件(EDA/ECAD)，用于设计、分析、优化和验证集成电路或印刷电路板的性能。作为FinFET的继任者，GAAFET(全栅场效应晶体管)被视为量产3nm及以下工艺制程的关键技术。BIS也在征求公众意见，以决定哪些ECAD的具体功能特别适用于设计GAAFET电路，以确保美国政府能够有效实施这项管制。

压力增益燃烧技术(PGC)：这项技术有潜力能提高燃气涡轮发动机10%以上效率，潜在影响航空航天、火箭和超高音速导弹系统。PGC技术利用多种物理现象，包括共振脉冲燃烧、定容燃烧和爆震，导致穿过燃烧器的有效压力上升，而消耗的燃烧量相同。BIS目前无法确认任何正在生产中的引擎使用了这项技术，但目前已经有大量研究指向潜在生产。

01金刚石、氧化镓第四代半导体有多重要？

氧化镓、金刚石涉及到两种超宽禁带半导体材料。

半导体时代的划分，是按照半导体材料推出时间早晚划分。

第一代是从集成电路发明开始，最先晶体管是锗材料，后面发展成硅材料。

第二代半导体材料，发明并实用于20世纪80年代，主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。其中砷化镓在射频功放器件中扮演重要角色，磷化铟在光通信器件中应用广泛。

第三代半导体材料，是在2000年以后提出，主要是以氮化镓和碳化硅为主。

2005年以后开始出现超宽禁带半导体。

业界一般将禁带宽度大于2.3电子伏特（eV）的半导体材料称为宽禁带半导体材料。

目前，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的新兴半导体材料，广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域，已被认为是当今电子产业发展的新动力。

其中，金刚石、氧化镓等超宽禁带半导体又被称为第四代半导体。

02氧化镓

什么是氧化镓？

相信以前很多人都听过一句广告“充电5分钟，通话2小时”，讲的是第三代半导体技术。

自从手机厂商在快充中用到了氮化镓（GaN）后，这种第三代半导体材料几乎成为快充标配，谁会不爱充电速度超快又体积小的充电头呢？

而所谓的氧化镓( Ga2O3 )，就是在科学家们在第三代半导体的基础上研制的更为先进的第四代半导体材料，这种材料天资卓越，材料属性天生丽质，出生就注定能够成为市场热捧。

拥有着超宽带隙（4.2~4.9eV）、超高临界击穿场强（8MV/cm）、较短的吸收截止边及超强的透明导电性等优异的物理性能。

氧化镓器件的导通特性几乎是于碳化硅（SiC）的10倍，理论击穿场强是碳化硅的3倍多。

不止如此，它的化学和热稳定性也较为良好，同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。这也意味着，氧化镓能造出更强的充电头，很有可能在未来10年左右称霸市场。

氧化镓 在耐压、电流、功率、损耗等维度都有其优势，此前被用于光电领域的应用，直到2012年开始，业内对它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究单位都在朝着该方向发展。

日本在氧化镓研究上是比较超前的。2012年日本 道了第一颗氧化镓功率器件，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。

一个材料产业的发展，需要材料、器件、模组、应用等多个环节形成完整循环。目前，第三代半导体材料已发展出完整的产业链，且向着成本不断降低的方向发展；而氧化镓则仍处于一个研究继续深入，产业化初步开始的阶段。

此前，氧化镓衬底主要采用导模法（EFG法）进行生产，由于EFG法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长，对生长环境要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。但一方面铱价格昂贵，价格是黄金的三倍，6英寸设备需要几公斤的铱，相当于一大块黄金，仅坩埚造价就超过600万，从大规模生产角度很难扩展设备数量，另一方面，铱只能依赖进口，给供应链带来很大风险。

03金刚石

金刚石是一种超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为5.5 eV，比GaN、SiC等宽禁带半导体材料还要大。

如下表所示，金刚石禁带宽度是Si的5倍；载流子迁移率也是Si材料的3倍，理论上金刚石的载流子迁移率比现有的宽禁带半导体材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同时，金刚石在室温下有极低的本征载流子浓度。并且，除了最高硬度以外，金刚石还具有半导体材料中最高的热导率，为AlN的7.5倍。

基于耐高压、大射频、低成本、耐高温等多重优异性能参数，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”。

正是由于金刚石的性能，从材料到器件，近年来金刚石的研发进展十分显著。

很早以前，人们就开始了对金刚石的开发研究。20世纪70年代，美国科学家开发出利用高温高压法（HPHT）生长小块状金刚石单晶，开启了金刚石研究的热潮。

在材料与制备方面：

金刚石的制备方法主要分为高温高压法（HPHT）和等离子体化学气相沉积法（PCVD）。

高温高压法（High Temperature High Pressure，HPHT），属于热力学平衡生长。根据碳相图，可以看到在高压下的稳定相是金刚石，通过利用外界施加压力和温度，将石墨转变成钻石。

化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD），利用气相前驱体在特定条件和基底上发生化学反应，沉积形成所需的薄膜材料。在单晶金刚石材料的制备中，通常采用甲烷和氢气作为前驱体，在高温（约1000 ℃）、半真空的低压条件下，单晶金刚石作为基底，以气相外延的方式生长。

由于常压下碳的稳定相是石墨相，所以在CVD 法生长金刚石的过程中需要源源不断的等离子体氢原子，来环绕包围 sp3 结构的甲烷（CH4 ）及分解物，并通过控制沉积生长条件促使活性碳原子连结在钻石籽晶上。

总的来说，相对于HPHT法和其他PCVD法，MPCVD无极放电、无污染、外延可控性强，在大尺寸、高纯度金刚石制备与掺杂研究方面优势更明显，是高质量和多领域应用金刚石制备的首选方法。

目前，采用高温高压法制备的单晶金刚石直径已达20mm，且缺陷密度较低。关键阻碍在于触媒以及设备保压问题。

如果是采用化学气相沉积(CVD)法，CVD 方法的优点在于生长的面积可以较大。但是目前国内的 CVD 设备的功率很小，通常不超过 10 KW，生长出的钻石最多是两英寸到四英寸。这和采用 HPHT 法生长出的钻石尺寸差不多。

另外，与多晶金刚石相比，无晶界制约的单晶金刚石（SCD）的光学、电学性能更加优异，在量子通信／计算辐射探测器、冷阴极场发射显示器、半导体激光器、超级计算机CPU芯片多维集成电路及军用大功率雷达微波行波管导热支撑杆等前沿科技领域的应用效果突出，而制备出大尺寸高质量的SCD是前提。

金刚石作为晶圆，其尺寸必须要达到2英寸以上。目前制备大尺寸金刚石及晶圆的技术主要有同质外延生长、马赛克晶圆制备和异质外延生长等技术。

其中，同质外延生长的独立单晶薄片具有缺陷密度低的特点，最大尺寸可达1英寸；采用“平铺克隆”晶片的马赛克拼接技术生长的金刚石晶圆可达2英寸。

而采用金刚石异质外延技术的晶圆可达4英寸。如果是低成本的异质外延CVD法，金刚石多晶薄膜的发展和应用已很活跃，晶圆已达8英寸，已可作为导热衬底，用于新一代GaN功率电子器件。

为此， 要求金刚石材料的研究向大尺寸、低缺陷、低电阻率和高导热的方向发展。

由于金刚石材料在光学、力学、热学、电学等方面表现出的优异特性，采用金刚石材料制作冷阴极场发射显示器（FED）已成为各大屏幕生产企业研发的重点。

据悉，FED是一种自发光型平板显示器，在继承其他显示器优点的前提下，完美摒弃了其缺点。首先FED由数十万个冷发射子组成，在亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度方面均表现优异；其次，FED显示器核心部件的冷发射阴极到阳极的距离仅为100μm，完全符合现在超薄显示器发展规律；另外FED采用冷阴极电子源,具有功耗低、自发光、工作环境温度范围宽等优点，工作电压仅为1kV。随着MPCVD生产金刚石材料的技术不断成熟，FED统领显示器市场必将指日可待。

据悉，美国商务部通过修改现有的几个ECCN（包括3C001.d -.f、3C005.a和.b、3C006以及3E003）对上述两种材料实施管制。管制原因包括国家安全，因此出口、再出口到中国通常需要申请许可证。

04开发GAAFET结构的ECDA软件

专门设计用于开发GAAFET结构的集成电路的ECDA软件，该技术管制则对中国影响最大。

美国商务部将通过增加一个ECCN（即3D006）来实施管制。管制原因包括国家安全，因此出口、再出口到中国通常需要申请许可证。

ECDA其实就是电子计算机辅助软件（EDA/ECAD）。

主要的作用是设计、分析、优化和验证集成电路或印刷电路板的性能。在军事和航空航天国防工业领域，ECAD软件还能被用来设计复杂的集成电路。

此处所提到的GAAFET（全栅场效应晶体管）是指被视为量产3nm及以下芯片工艺制程的关键技术。

这技术可以设计能够实现更快、更节能、更耐辐射的集成电路。这些集成电路却具有军事用途，包括国防卫星、火箭、导弹等等。

因此，此次被列入清单的ECDA软件，就是瞄准了3nm以下先进工艺设计的重要软件。

国内目前也不缺乏该领域的从业者，比如华大九天是规模最大、产品线最全的国产EDA龙头；概伦电子专注于器件建模和电路仿真，主要提供四大类产品及服务包括制造类EDA工具、设计类EDA工具、半 导体器件特性测试仪器和半导体工程服务；芯愿景依托自主研发的电子设计自动化软件，向全球客户提供集成电路分析和集成电路设计服务；广立微是领先的集成电路EDA软件与晶圆级电性测试设备供应商，公司专注于芯片成品率提升和电性测试快速监控技术。

但总体而言，国内半导体产业对国外EDA工具依赖严重。如果遭遇技术管制威胁，影响甚大。

目前，全球的EDA软件主要由Cadence、Mentor等三家美国企业垄断。称霸EDA市场的美国三巨头，牢牢占据了全球超过70%的市场份额，能够提供完整的EDA工具，覆盖集成电路设计与制造全流程或大部分流程。

05从专利维度看金刚石、氧化镓

国内有谁在研究第四代半导体材料？

以金刚石、氧化镓、半导体材料为关键词，在德高行全球专利数据里检索查询，国内高校专利申请人排名如下：

国内企业专利申请人排名如下：

中国电子科技集团公司第十三研究所排第一，在研究什么？

在金刚石半导体领域，专利布局丰富。

如金刚石肖特基二极管、MPCVD单晶金刚石生长钼托及单晶金刚石的生长方法、金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法、金刚石NV色心的磁力测量系统、半导体器件及利用突变异质结形成金刚石p型导电沟道的方法、可重复利用衬底异质外延金刚石材料的方法、金刚石场效应晶体管及制备方法、类T型栅掩蔽自对准法制备金刚石基FET器件的方法等。

在氧化镓半导体领域，也有很多专利。

如横向结构氧化镓的制备方法及横向结构氧化镓、帽层结构氧化镓场效应晶体管的制备方法、氧化镓二极管器件及其制备方法、氧化镓SBD的制备方法及结构、斜栅型氧化镓场效应晶体管及制备方法等。

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