即日生效！EDA、第四代半导体材料、航天发动机技术对华实施出口管制，国内进展如何？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）上周末，美国商务部工业和安全局（BIS）在联邦公报上公开了一份文件，披露将对包括两种超宽禁带半导衬底（氧化镓和金刚石）、设计用于开发任何GAA FET结构集成电路的电子计算机辅助软件（EDA/ECAD）、用于生产和开发燃气涡轮发动机部件或系统的压力增益燃烧（PGC）技术在内，共四种技术实施出口管制。

在文件中还提到，这次修订增加的新技术管制，是反映了去年12月瓦森纳协定全体成员会议上对部分管制措施作出的决定。其中，氧化镓和金刚石衬底、以及PGC技术的出口管制将会在美国当地时间2022年8月15日起生效，也就是从北京时间周一中午12点开始。而用于开发GAA FET的EDA/ECAD出口管制，将在2022年10月14日起生效，但还需要收集更多关于对执行情况的意见，并需要在9月14日之前提交。

很显然，现在的瓦森纳协定主要作用是通过出口管制钳制中国相关产业的发展，每年12月的会议上，都会增加对华的出口限制，包括半导体、高端制造领域等技术。那么，已经实施出口管制的三种技术会对国内的相关产业造成怎样的影响？国内在这些技术上的进展到哪了？下面我们会对氧化镓、金刚石、PGC这三种技术，做一个简单的分析。

氧化镓

其实氧化镓和金刚石，都被归类为第四代半导体。第三代半导体的碳化硅、氮化镓都已经在近几年得到广泛应用，特别是在电源、新能源汽车、基站射频器件、电网、高铁等领域。那么第三代半导体和第四代半导体差别在哪？

我们都知道第三代半导体也被称为宽禁带半导体，而第四代半导体的一个重要特性就是“超宽禁带”，禁带宽度在4eV以上（金刚石5.5eV，β-Ga2O3 禁带宽度4.2-4.9eV），相比之下，第三代半导体中碳化硅禁带宽度仅为3.2eV，氮化镓也只有3.4eV。更宽的禁带，带来的优势是击穿电场强度更大，反映到器件上就是耐压值更高，同样以主流的β结构Ga2O3材料为例，其击穿电场强度约为8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化镓也高出一倍以上。

在应用层面上，氧化镓主要被应用于光电以及高功率的领域。由于氧化镓高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，特别是在紫外和蓝光区域透明，因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。

而功率应用上，氧化镓其实跟氮化镓、碳化硅等第三代半导体有部分重合，从功率500W左右的消费级电源，到高铁、电网，甚至是航母上的电磁弹射都可以用到。但相比于氮化镓和碳化硅，氧化镓功率器件在成本、结构尺寸、超高压应用、产业化发展速度上都具备很大优势。

首先是发展周期。碳化硅已经经历了30年的发展周期，才来到6英寸衬底；但氧化镓发展了近10年就已经实现6英寸的衬底，从时间节点来看显然发展速度较快。而在成本上，以6英寸的衬底为例，氧化镓初期成本283美元，对比同时期成本为916美元的碳化硅衬底显然有很大优势。并且通过成本的进一步优化，6英寸氧化镓可以做到195美元，最新的数据显示甚至可以低至120美元左右。同时在器件尺寸上，相比同样功率等级的硅基功率器件，氧化镓体积可以降低30-150倍之多。

当然没有任何一种材料是完美的，氧化镓也是如此。氧化镓其中一个致命弱点是导热性差，导热率仅为金刚石的1/6，是碳化硅的1/10，这对器件散热提出不小的挑战，高温可能会对器件寿命产生一定影响。

从产业的角度来看，材料方面日本较为领先，三菱重工、丰田、日本电装、NCT、日本光波等企业发展迅速，比如NCT的2-4英寸氧化镓衬底已经实现量产，并在2018年成功制备6英寸β-Ga2O3单晶片。

而美国在器件领域发展较早，包括美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局等多家国防机构都在与当地高校合作开发氧化镓器件。

联邦公报上公开的文件就有提到：Ga2O3 和金刚石在军事应用中具有很大潜力，用这两种材料制成的器件预期可以在更严苛的环境下工作，比如更高的电压和更高的温度。目的很明确，就是针对军事用途上的潜力而对氧化镓和金刚石衬底进行出口管制。具体管制的内容，包括开发、生产这些材料的技术，以及采用这些材料制造的电子元件。

前面也提到氧化镓可以被用在航母的电磁弹射系统上，除此之外，氧化镓还具备一定的射频应用潜力。比如美国空军研究实验室的一个团队此前曾制造了第一个射频增益和功率开关损耗低于硅的氧化镓FET，该团队认为氧化镓可能会与氮化镓器件在射频方面形成互补，在特定的工作类别中有潜力提供更高效率和更高的输出功率。

国内氧化镓的产业化起步稍晚，主要停留于科研阶段。不过近几年资本开始关注氧化镓的发展潜力，且前面提到氧化镓的产业化发展速度非常快，因此在资本的青睐下国内氧化镓产业也在快速崛起。目前国内专注于氧化镓材料的公司有包括镓族科技、富加镓业科技、铭镓半导体、进化半导体等，其中铭镓半导体表示已经可以小批量供应2-4英寸的氧化镓衬底。

而在科研机构方面，据报道，中电科46所在2018年底制备出国内第一片高质量的4英寸氧化镓单晶。另外，西安电子科技大学以及中国科学院上海微系统与信息研究所在2019年底公布了氧化镓功率器件领域的新进展，首次将晶圆级β相氧化镓单晶薄膜（400nm）与高导热的硅和4H-SiC衬底晶圆级集成，并制备出高性能器件，推动氧化镓在高功率器件领域的规模化应用。

金刚石

与氧化镓同属第四代半导体的金刚石，发展进度相对氧化镓要滞后不少。金刚石材料具备载流子迁移率高、载流子饱和漂移速率大、击穿场强大等特性，是制造大功率、高温、高频器件的理想材料，被称为“终极半导体材料”。

当然，“完美”的材料往往意味着难以被制造。常规的金刚石材料属于绝缘体，通过硼掺杂可以实现p型导电，然而由于硼掺杂金刚石电离能较高（0.37 eV），在室温下很难完全电离， 而重掺杂又往往导致金刚石表面损伤，半导体性质下降，因此限制了金刚石材料在半导体器件上的应用和发展。

作为自然界热导率最高的材料，金刚石的应用路径还包括作为GaN功率器件的衬底，以帮助其散热，实现更高频率和更高功率。从2008年开始，欧盟投入资金推动化学气相沉积方法（CVD）在GaN器件背面生长金刚石。随后美国国防部高级研究计划局、海军研究办公室等投入大量资金，联合大学（英国布里斯托大学、美国佐治亚理工、斯坦福等）、半导体公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推动金刚石基GaN器件的发展。

但价格高昂，使得金刚石衬底的氮化镓器件的应用被限制在国防和航天等领域。富士通在2017年宣布，将碳化硅基氮化镓器件通过常温键合到单晶体金刚石上，成功令气象雷达探测距离增加了约1.5倍。到了2019年，富士通成功在氮化镓器件表面通过CVD法生长出金刚石，通过两面散热进一步降低器件温度。

同年，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与三菱电机、日本产业技术综合研究所合作，首次开发出了高功率和高效率的多单元GaN-HEMT。

衬底方面，在2021年，美国的AKHAN宣布开发出首个12英寸金刚石衬底，早前AKHAN已获美国能源部阿贡国家实验室的金刚石半导体工艺授权，再结合自身在金刚石领域的技术突破，有望成为全球首家实现金刚石半导体器件产业化的公司。

国内金刚石半导体材料和器件研究，主要集中在高校以及研究所，包括中科院半导体所、中科院金属所、西安交通大学、北京科技大学、西安电子科技大学等。而在金刚石材料上，国内在CVD法制备的工业金刚石上较为成熟；不过半导体金刚石材料主要通过MPCVD法制备，目前国内产业处于早期阶段，部分公司逐步开始实现投产。

增压燃烧（PGC）

PGC是一种增加燃气轮机发动机效率的技术，效率有潜力提高10%以上。而这项技术主要的应用于航天应用，如火箭和高超音速系统。

传统的燃气涡轮发动机经过稳定的亚音速燃烧，会导致压力损失。而PGC利用了多种物理现象，包括共振脉冲燃烧、定容燃烧和爆震，来推动燃烧器上有效压力的上升，同时消耗与定压燃烧器相同量的燃料。

PGC技术依赖于汉弗莱（或阿特金森）循环，可以提高燃烧室的压力，可以作为提高燃气轮机动力系统效率的一种手段，具有很大的潜力。在燃气涡轮发动机中使用PGC的两个主要优点是，它减少了燃烧循环的本质上不稳定的性质，增加热力效率；以及由于燃烧室中的压力增加，它允许压缩机中的级数更少，令发动机更加紧凑。

有意思的是，文件中提到美国商务部还未发现使用PGC技术生产的发动机，但发现了大量相关研究。美国商务部还重点提到 ，PGC提供了军事优势，比如更长的续航时间和更小的体积。事实上目前基于PGC的火箭、航天运载火箭、导弹和军用燃气涡轮发动机的推进系统以及与之直接相关的技术，已经是美国军火清单（USML）中描述的国防物品。但他们认为，PGC技术未来有可能被用在商用或工业的燃气涡轮发动机上，因此需要对其进行管制。

来源：清华大学公众号

今年1月，清华大学宣布自主研发的新型冲压发动机成功发射，从描述中可以了解到，这款发动机属于超燃冲压发动机，用到了PGC技术提高冲压机效率。

小结：

从目前已经开始实施出口管制的三种技术来看，国内外虽然有一定差距，但差距并不算大，因此对国内相关产业可能暂时不会有太大影响。而GAA FET EDA/ECAD软件的出口管制最终是否落实，可能还需要到10月份才会有结果。无论如何，美国商务部在半导体技术上对华持续收紧，对国内半导体产业而言则会是继续坚定实现全面自主化的信号。