即日生效！EDA、第四代半導體材料、航天發動機技術對華實施出口管制，國內進展如何？

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）上周末，美國商務部工業和安全局（BIS）在聯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襯底（氧化鎵和金剛石）、設計用于開發任何GAA FET結構集成電路的電子計算機輔助軟件（EDA/ECAD）、用于生產和開發燃氣渦輪發動機部件或系統的壓力增益燃燒（PGC）技術在內，共四種技術實施出口管制。

在文件中還提到，這次修訂增加的新技術管制，是反映了去年12月瓦森納協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技術的出口管制將會在美國當地時間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于對執行情況的意見，并需要在9月14日之前提交。

很顯然，現在的瓦森納協定主要作用是通過出口管制鉗制中國相關產業的發展，每年12月的會議上，都會增加對華的出口限制，包括半導體、高端制造領域等技術。那么，已經實施出口管制的三種技術會對國內的相關產業造成怎樣的影響？國內在這些技術上的進展到哪了？下面我們會對氧化鎵、金剛石、PGC這三種技術，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體。第三代半導體的碳化硅、氮化鎵都已經在近幾年得到廣泛應用，特別是在電源、新能源汽車、基站射頻器件、電網、高鐵等領域。那么第三代半導體和第四代半導體差別在哪？

我們都知道第三代半導體也被稱為寬禁帶半導體，而第四代半導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結構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。

在應用層面上，氧化鎵主要被應用于光電以及高功率的領域。由于氧化鎵高溫下性能穩定，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用路線。

而功率應用上，氧化鎵其實跟氮化鎵、碳化硅等第三代半導體有部分重合，從功率500W左右的消費級電源，到高鐵、電網，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、結構尺寸、超高壓應用、產業化發展速度上都具備很大優勢。

首先是發展周期。碳化硅已經經歷了30年的發展周期，才來到6英寸襯底；但氧化鎵發展了近10年就已經實現6英寸的襯底，從時間節點來看顯然發展速度較快。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勢。并且通過成本的進一步優化，6英寸氧化鎵可以做到195美元，最新的數據顯示甚至可以低至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熱性差，導熱率僅為金剛石的1/6，是碳化硅的1/10，這對器件散熱提出不小的挑戰，高溫可能會對器件壽命產生一定影響。

從產業的角度來看，材料方面日本較為領先，三菱重工、豐田、日本電裝、NCT、日本光波等企業發展迅速，比如NCT的2-4英寸氧化鎵襯底已經實現量產，并在2018年成功制備6英寸β-Ga2O3單晶片。

而美國在器件領域發展較早，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都在與當地高校合作開發氧化鎵器件。

聯邦公報上公開的文件就有提到：Ga2O3 和金剛石在軍事應用中具有很大潛力，用這兩種材料制成的器件預期可以在更嚴苛的環境下工作，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。具體管制的內容，包括開發、生產這些材料的技術，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上，除此之外，氧化鎵還具備一定的射頻應用潛力。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。

國內氧化鎵的產業化起步稍晚，主要停留于科研階段。不過近幾年資本開始關注氧化鎵的發展潛力，且前面提到氧化鎵的產業化發展速度非?？?，因此在資本的青睞下國內氧化鎵產業也在快速崛起。目前國內專注于氧化鎵材料的公司有包括鎵族科技、富加鎵業科技、銘鎵半導體、進化半導體等，其中銘鎵半導體表示已經可以小批量供應2-4英寸的氧化鎵襯底。

而在科研機構方面，據報道，中電科46所在2018年底制備出國內第一片高質量的4英寸氧化鎵單晶。另外，西安電子科技大學以及中國科學院上海微系統與信息研究所在2019年底公布了氧化鎵功率器件領域的新進展，首次將晶圓級β相氧化鎵單晶薄膜（400nm）與高導熱的硅和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域的規?；瘧?。

金剛石

與氧化鎵同屬第四代半導體的金剛石，發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“終極半導體材料”。

當然，“完美”的材料往往意味著難以被制造。常規的金剛石材料屬于絕緣體，通過硼摻雜可以實現p型導電，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， 而重摻雜又往往導致金剛石表面損傷，半導體性質下降，因此限制了金剛石材料在半導體器件上的應用和發展。

作為自然界熱導率最高的材料，金剛石的應用路徑還包括作為GaN功率器件的襯底，以幫助其散熱，實現更高頻率和更高功率。從2008年開始，歐盟投入資金推動化學氣相沉積方法（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，聯合大學（英國布里斯托大學、美國佐治亞理工、斯坦福等）、半導體公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推動金剛石基GaN器件的發展。

但價格高昂，使得金剛石襯底的氮化鎵器件的應用被限制在國防和航天等領域。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，日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）與三菱電機、日本產業技術綜合研究所合作，首次開發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體工藝授權，再結合自身在金剛石領域的技術突破，有望成為全球首家實現金剛石半導體器件產業化的公司。

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

增壓燃燒（PGC）

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

傳統的燃氣渦輪發動機經過穩定的亞音速燃燒，會導致壓力損失。而PGC利用了多種物理現象，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技術依賴于漢弗萊（或阿特金森）循環，可以提高燃燒室的壓力，可以作為提高燃氣輪機動力系統效率的一種手段，具有很大的潛力。在燃氣渦輪發動機中使用PGC的兩個主要優點是，它減少了燃燒循環的本質上不穩定的性質，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更少，令發動機更加緊湊。

有意思的是，文件中提到美國商務部還未發現使用PGC技術生產的發動機，但發現了大量相關研究。美國商務部還重點提到 ，PGC提供了軍事優勢，比如更長的續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、導彈和軍用燃氣渦輪發動機的推進系統以及與之直接相關的技術，已經是美國軍火清單（USML）中描述的國防物品。但他們認為，PGC技術未來有可能被用在商用或工業的燃氣渦輪發動機上，因此需要對其進行管制。

來源：清華大學公眾號

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

小結：

從目前已經開始實施出口管制的三種技術來看，國內外雖然有一定差距，但差距并不算大，因此對國內相關產業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月份才會有結果。無論如何，美國商務部在半導體技術上對華持續收緊，對國內半導體產業而言則會是繼續堅定實現全面自主化的信號。