第四代半导体才是全球科创“主战场”？上海已出手！

图源：上海发布

成渝未来产业招商智库2月3日产研报告：2月3日，上海市第十六届人大四次会议在世博中心开幕。上海市市长龚正作《政府工作报告》，明确提出，上海今年要推进临港科创城建设，加快打造一批高水平科创社区，持续提升东方芯港、大飞机园等特色产业园区能级，大力培育发展脑机接口、第四代半导体等未来产业。

上海作为“宇宙经济中心”，旗帜鲜明“重仓”第四代半导体，必将推动新一场技术革命。当手机电量告急与数据中心高耗能问题日益凸显，当新能源车续航焦虑仍未完全解决，第四代半导体正携氧化镓的锋芒、金刚石的冷冽和氮化铝的坚韧，破冰而来。

第四代半导体应用场景有哪些？

从硅基材料到第四代超宽禁带半导体，半导体材料已经历四次迭代。第四代半导体以氧化镓（Ga₂O₃）、金刚石和氮化铝（AlN）等超宽禁带材料为核心，其禁带宽度高达4.8eV以上，远超传统硅基材料。

超宽禁带半导体具有三大显著优势：更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更优的热导率。以氧化镓为例，其禁带宽度达4.9eV，击穿场强高达8MV/cm（为硅的20倍以上），理论损耗仅为硅的1/3000，碳化硅的1/6。

这些特性使得第四代半导体在高温、高频、高压环境下表现优异，可大幅提升电力电子和射频通信等领域的效率。

半导体代际

代表材料

禁带宽度 （eV）

关键特性

主要应用

领域

第一代

Si、Ge

1.12

技术成熟、成本低

低压、低频器件

第二代

GaAs、

InP

1.43

高频、高速

光电子、微波器件

第三代

SiC、

GaN

3.2-

3.4

高温、高频、大功率

射频通信、汽车电子

第四代

Ga₂O₃、金刚石、AlN

4.8-

6.2

超高压、超低损耗

新能源汽车、5G/6G、国防

第四代半导体的独特性能使其在多个高端领域具有不可替代的潜力，主要应用场景如下：

场景1：新能源汽车与超高压充电：氧化镓器件可显著减小车载充电器和逆变器的体积，提升效率，是支持800V及以上高压平台普及的关键。

场景2：能源电力系统：在特高压直流输电、光伏逆变器、电网智能断路器中应用，可大幅降低能量传输损耗。

场景3：高端装备与国防军工：其耐高温、抗辐照特性适合航空航天器的电源系统；金刚石在微波武器和量子传感器中有应用潜力。

场景4：前沿科技与散热：金刚石极高的热导率是解决AI芯片等高功率密度器件散热瓶颈的理想方案；氮化铝是深紫外光电探测器的重要材料。

产业链5大分层“图谱”

成渝未来产业招商智库根据学界、商界最新产业研究及实业发展现状，针对第四代半导体产业，按“材料—衬底/外延—器件制造—封测/设备—应用”5层进行拆解，核心材料为氧化镓（Ga₂O₃）、金刚石、氮化铝（AlN）等（禁带宽度 >4.5 eV），整体仍处产业化早期，中国在衬底环节已形成追赶态势。

环节

核心内容

典型材料/产品

技术壁垒与价值特征

上游：材料与原料

高纯金属镓、金刚石粉体、AlN 粉体、MO 源、特种气体等

4N/6N 镓、MO 源（三甲基镓）、高纯氮化铝粉

纯度决定器件性能，资源+提纯技术双卡位，价值占比约 15–20%

中游1：衬底与外延

单晶衬底生长、外延片（同质/异质）

Ga₂O₃ 衬底（2/4/6 英寸）、金刚石/AlN 衬底、Ga₂O₃/AlN 外延片

长晶工艺（EFG、PVT、CVD）、缺陷控制是核心，成本占比最高（~35–40%），日美领先

中游2：器件制造

功率/射频器件设计、晶圆制造

Ga₂O₃ SBD/MOSFET、金刚石 HEMT、AlN 深紫外 LED/HEMT

高温高场工艺、界面工程、可靠性验证，IDM/代工模式并行

中游3：封测与设备

先进封装、测试、专用设备

金刚石散热封装、高压测试机台、MOCVD/刻蚀设备

高功率散热、高频测试是关键，设备国产化率低（<10%）

下游：应用终端

系统集成与场景落地

新能源电力、6G 射频、航天军工、深紫外光电器件

认证周期长（3–5 年），军工/极端场景先行

1.上游：材料与原料

金属镓/镓化合物：拜耳母液提镓（4N+ 纯度）→ MO 源（三甲基镓）→ Ga₂O₃ 多晶料，是氧化镓产业链起点；中国镓资源占全球 ~70%，但高纯提纯设备仍依赖进口。

金刚石粉体/籽晶：高温高压（HPHT）/CVD 金刚石粉体，用于衬底生长；Element Six（美）垄断高端市场。

氮化铝粉体：高纯 AlN 粉（热导率 >200 W/m·K）用于 AlN 陶瓷基板/衬底，宁夏北瓷等已实现国产化扩产。

MO源、特种气体：三甲基镓、氨气等外延前驱体，纯度要求 6N 以上，南大光电等为全球主要供应商。

卡脖子点：高纯铱坩埚（Ga₂O₃ 导模法）、MOCVD 反应室腔体材料、超高纯气体纯化系统。

2. 中游-1：衬底与外延（产业链价值核心）

（1）氧化镓衬底（β-Ga₂O₃）

工艺：导模法（EFG）、垂直布里奇曼（VB）为主，熔点 ~1790℃，需铱坩埚，生长窗口窄。

现状：日本 NCT 已量产 6 英寸，位错密度 10²/cm² 级；中国中电科 46 所、富加镓业等突破 4/6 英寸，但成品率 ~30%（日本 ~60%），8 英寸处于研发阶段。

外延：MBE/MOCVD 同质外延（Ga₂O₃ on Ga₂O₃）为主，载流子浓度可控至 10¹⁶/cm³，是功率器件性能基础。

（2）金刚石衬底

工艺：CVD 异质外延（金刚石 on Ir/SiC），大面积均匀性、位错密度是难点。

应用：量子传感器、高功率激光器散热基板，热导率可达 2000 W/m·K（为铜 5 倍）。

（3）氮化铝衬底

工艺：PVT 法生长 AlN 单晶，籽晶依赖日本 NGK 等，成本为 SiC 衬底 10 倍以上。

应用：深紫外 LED（UVC）、高频率 HEMT，美国 Kyma 垄断 2 英寸市场。

价值分布：衬底+外延占产业链价值 ~35–40%，是成本下降和性能提升的关键。

3. 中游-2：器件制造（设计+晶圆工艺）

（1）功率器件（Ga₂O₃ 为主）

产品：肖特基二极管（SBD）、MOSFET、常关型器件（Normally-off）。

优势：击穿电场 ~8 MV/cm（为 SiC 2 倍），理论 Baliga 优值（FOM）比 SiC 高 1 个数量级，适合 1.2–3.3 kV 高压应用。

挑战：空穴迁移率低（P 型难实现）、热导率差（需金刚石散热）、长期可靠性数据不足。

（2）射频器件（AlN/金刚石）

产品：HEMT、太赫兹振荡器，工作频率可达 100 GHz+，面向 6G 基站、雷达。

技术：AlN/GaN 异质结、金刚石 on GaN 散热结构，界面热阻是关键瓶颈。

（3）光电器件（AlN 为主）

产品：UVC LED（杀菌、水净化）、光电探测器，波长 200–280nm。

难点：AlN 外延缺陷密度、量子效率提升。

制造模式：

IDM：三安光电等自研衬底+器件+封装（垂直整合）；

代工：中芯国际等开发 Ga₂O₃/AlN 特色工艺平台。

4. 中游-3：封测与设备（支撑环节）

（1）封装测试

高功率封装：金刚石散热衬底、金属基板、双面冷却结构，解决 Ga₂O₃ 热导率低问题；长电科技、华天科技等布局宽禁带功率封装。

高频封装：低寄生电感/电容封装、太赫兹测试探针，适配 6G 射频器件。

测试：高压/高温老化测试机台，可靠性认证周期长。

（2）设备与耗材

长晶设备：EFG 炉（铱坩埚）、PVT 炉（AlN）、CVD 金刚石设备，北方华创等国产化推进中。

前道设备：MOCVD（Ga₂O₃/AlN 外延）、刻蚀机（高深宽比沟槽）、离子注入机；美国 Applied Materials、日本 TEL 垄断。

耗材：溅射靶材（阿石创）、CMP 抛光垫（鼎龙股份）、光刻胶（飞凯材料）等配套材料。

卡脖子点：高端 MOCVD、铱坩埚、高压测试设备国产化率 <10%。

5. 下游：应用终端（场景驱动）

应用

领域

核心需求

主力材料

产业化

进度

新能源电力

高压逆变器（光伏/风电）、

车载 OBC/DC-DC

Ga₂O₃ SBD/MOSFET

实验室-中试，2026–2030 年逐步替代 SiC

6G 射频/雷达

太赫兹通信、相控阵雷达

AlN HEMT、金刚石散热

军工先行，2030 年前后商用

航天军工

深空探测电源、核聚变装置窗口

Ga₂O₃ 功率模块、金刚石窗口

小批量特种应用

深紫外光电

水/空气杀菌、生化检测

AlN UVC LED

已部分商用，成本仍需下降

量子计算

量子比特散热、微波控制

金刚石衬底

前沿研发阶段

特点：军工/航天先行验证，新能源电力是最大潜在市场，但需等待成本下降和可靠性数据积累。

产业链“扫地僧”企业名单

成渝招商助推中心产研团队联手deepseek、元宝等大模型，为你梳理了第四代半导体“材料—衬底/外延—器件制造—封测/设备—应用”5层代表及研发企业名单，截至时间为 2025 年末，含上市及非上市公司。

环节

方向

代表企业（含研发）

上游：材料/原料

高纯镓、MO 源

蓝晓科技（拜耳母液提镓）、南大光电（MO 源）、中国铝业（镓资源）、美国 Materion、日本 Sumitomo Chemical

金刚石粉体/籽晶

Element Six（美）、Momentive（美）、黄河旋风（多晶金刚石热沉）、四方达（CVD 金刚石）

AlN 粉体/陶瓷

日本Maruwa、日本 NGK、宁夏北瓷、中瓷电子（AlN 基板）

中游1：衬底/外延

Ga₂O₃ 衬底

日本Novel Crystal Technology（NCT）、杭州镓仁半导体、中电科 46 所、富加镓业、苏州镓和半导体、北京铭镓半导体

金刚石衬底

Element Six（美）、日本 Orbray、天岳先进（金刚石/SiC 复合）、沃尔德、黄河旋风

AlN 衬底

Kyma Technologies（美）、日本 NGK、中电科 13 所、中瓷电子（AlN 单晶/基板）

外延片（Ga₂O₃/AlN）

三安光电（湖南基地）、镓创未来（晋江）、中电科55 所、西安电子科技大学宽禁带中心、日本 Flosfia

中游2：器件制造

功率器件(Ga₂O₃）

三安光电（IDM）、中电科 13/55 所、时代民芯（航天电子）、中国西电（陕西先导中心）、日本 NCT（模组）

射频/光电器（AlN）

Kyma（AlN HEMT/UVC）、中电科 13 所、三安光电（深紫外 LED）、中微公司（刻蚀平台）

金刚石器件

Element Six（量子/探测器）、中电科 13 所、西安电子科技大学、中科院半导体所

晶圆代工

中芯国际（特色工艺平台）、华虹公司、日本Tower/Jazz（研发线）

中游3：封测/设备

封装测试

长电科技、华天科技、通富微电（金刚石散热封装）、长川科技（高压/高频测试）

长晶/外延设备

北方华创（MOCVD/刻蚀）、至纯科技（高纯系统）、日本 TEL、美国 Applied Materials

前道设备/耗材

中微公司（Ga₂O₃ 刻蚀）、阿石创（靶材）、鼎龙股份（CMP）、飞凯材料（化学品）

下游：应用终端

新能源电力

中国西电（高压开关）、特变电工、阳光电源（逆变器预研）、日本Toshiba/Mitsubishi

6G 射频/军工

航天电子（太赫兹/核聚变窗口）、国博电子、华为/中兴（预研）、美国 Raytheon

深紫外光电

中际旭创（光模块）、水处理/杀菌设备商（如海尔、美的预研）、美国 Crystal IS

科研/国家项目

中科院半导体所/上海光机所、浙江大学、西安电子科技大学、美国 DARPA 项目团队

说明：“代表企业”指已有产品/产线或公开量产规划；“研发企业”含高校/院所及仅披露技术布局的上市公司（如部分功率/射频设计公司暂未单列）。

海外以NCT（Ga₂O₃）、Element Six（金刚石）、Kyma（AlN）为材料端龙头；国内形成“镓仁/富加镓业—三安/中电科—长电/北方华创”链条，但整体仍处中试→小批量阶段。

第四代半导体目前正处于从实验室走向产业化应用的关键时期，下面这个表格可以帮助你快速了解其核心数据和现状。

维度

核心数据/现状

备注/趋势

市场规模

（2025年）

全球约0.75-8.73亿美元（因统计口径不同）

产业仍处早期阶段，但增长迅猛

预期复合年增长率

38%（2025-2030年）

远高于半导体行业平均水平

2030年市场规模

预测

突破500亿美元

显示出巨大的市场潜力

核心应用领域

新能源汽车超高压功率器件（占60%需求）

核心驱动力

材料体系

氧化镓、金刚石、氮化铝（超宽禁带）

各材料性能侧重点不同

全球竞争格局

日本（氧化镓专利领先）、美国（金刚石军用）、中国（全产业链加速）

呈现“双极主导，多点突破”态势

全球新一轮科创角力“主战场”？

成渝未来产业招商智库产研团队获取的最新产业资料显示，全球第四代半导体领域呈现 “双极主导、多点突破”的竞争态势。日本在氧化镓领域优势明显，拥有全球68%的相关专利，Novel Crystal Technology等公司已实现6英寸氧化镓衬底的小规模量产。美国则通过DARPA项目推动金刚石在军工领域的应用，并垄断了90%的氮化铝射频器件市场。

中国在第四代半导体领域展现出强劲的追赶势头。杭州镓仁半导体发布了全球首颗8英寸氧化镓单晶，中国电科46所成功制备国内首颗6英寸氧化镓单晶，中科大团队则首次研制出氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。科创四川产业智媒体“陪跑”孵化的一家成渝地区科创企业，目前也正积极联手相关产业链企业，积极布局氧化镓等新材料研发。

中国在氧化镓衬底尺寸上已实现局部领先，但高端设备仍依赖进口，产业链协同度不足。各国根据自身技术积累和产业需求，采取了不同的发展路径：

目前，美国则聚焦高端与军用。通过DARPA等项目推动金刚石半导体在军工领域的应用，Kyma Technologies公司在氮化铝射频器件市场占据优势。在策略上，美国将氧化镓衬底列入出口管制清单，确保其技术安全，并借助其在AI、量子计算等前沿领域的优势拉动需求。

欧盟则重点参与联合投入与车规级应用，计划投入22亿欧元建设8英寸金刚石试验线，聚焦于未来车规级模块的开发。

尽管前景广阔，第四代半导体产业化仍面临氧化镓P型掺杂困难、金刚石大尺寸单晶制备成本高昂、产业链各环节标准尚未统一等挑战。未来3-5年，随着6英寸、8英寸产线规模化落地，成本将持续下降，第四代半导体有望在新能源等关键领域开始对第三代半导体实现部分替代。

诚邀您把握第四代半导体产业协同发展的黄金机遇，若您有意对接相关项目、技术、资金资源，欢迎与我们联系。

科创四川产业智媒体、成渝招商助推中心新材料产研小组、成渝未来产业招商智库 研究整理

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