半导体行业的革命者：镓

引言：

2022年8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）颁布出口限制，涉及了先进半导体、涡轮发动机等领域，其中涉及半导体材料对金刚石和氧化镓材料。

2023年7月3日，我国商务部 海关总署公告对镓、锗相关物项实施出口管制。

镓和相关材料成为各方科技领域关注的重要的关键材料，它们在半导体行业究竟有怎样的应用，处于何等重要地位？

半导体行业是全球高科技领域的核心

半导体对经济发展和科技进步具有巨大影响，其在信息技术、通信、汽车、医疗、新能源等许多重要领域都扮演着关键角色，是驱动全球数字化、智能化发展的基础。

在市场规模方面，半导体行业的规模庞大且持续增长。据SIA的数据，2022年全球半导体市场销售额5735亿美元。

此外，半导体行业的重要性在于其在全球供应链中的关键地位。半导体是许多高科技产品的核心组件，对于智能手机、计算机、汽车、医疗设备等许多领域的产品性能和功能影响重大。

然而，半导体行业也面临着一些挑战，例如技术迭代速度快、研发投入大、产业链长等。

所以，加快半导体行业的发展，是提升一个国家科技实力的重点。

镓是半导体行业的革命者

镓（Gallium，化学符号Ga）是周期表第四周期的元素，位于III-A主族元素中，介于铝和铟之间。镓元素于1875年由法国化学家Paul Emile Lecoq de Boisbaudran发现，其名字来源于拉丁文的“Gallia”，意为法国。

镓是一种软金属，其标准状态下为银白色。镓在室温下可以很容易地被切割，并且在稍高于室温（29.76℃）的温度下就可以熔化，因此如果将镓放在手中，它可能会慢慢地融化。但在低温下，镓会变得非常硬，甚至比铁还要硬。

在化学方面，镓通常以+3的氧化态存在，并且可以形成各种化合物，包括与氧、硫、氮、卤素、磷等元素形成的化合物。在大部分化合物中，镓呈Ga3+形式存在。

半导体的分类通常基于其能带结构和元素构成。最基本的分类是基于其元素构成，如：元素半导体（例如：硅、锗）和化合物半导体（例如：镓砷化、氮化镓）。再根据其导电性质，半导体可以分为n型和p型。以下是关于半导体的几个代表性阶段：

• 第一代半导体：早期半导体主要是元素半导体，以硅和锗为主。硅由于其丰富的硅源和良好的半导体性能，成为了半导体工业的基础。

• 第二代半导体：主要为化合物半导体，例如砷化镓（GaAs）。这类材料因为能带结构的特性，使得它们在高频、高功率等特殊应用场景中，显示出了优于硅的性能。

• 第三代半导体：主要包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体。它们具有更高的电场强度，更高的电子饱和漂移速度，和更高的热导率，这使得它们在高压、高频、高温等极端环境下，具有出色的性能。

• 第四代半导体：主要指2D半导体材料，例如磷化黑磷、氮化硼等。这些材料因为其独特的二维性质，开启了全新的物性探索和应用可能。

在半导体、芯片领域中，几种含镓的半导体具有广泛的应用。具体来说：

• 砷化镓（GaAs）：GaAs是一种直接带隙半导体，这意味着它可以高效地将电能转化为光能，因此被用于制作红色和红外LED。因其较高的电子迁移率，GaAs常用于制作高频率的微波电子设备，例如手机、无线电和雷达。

相较于硅，砷化镓具有更高的电子迁移率，使得它在高频电子设备中有更优的表现。此外，GaAs可以在更高的温度下工作，因此在太空和军事应用中被广泛使用。

• 氮化镓（GaN）：GaN是一种宽禁带半导体，相较于硅和砷化镓，它可以在更高的电场强度下工作，这使得它在高压电力电子设备中有优势。同时，GaN具有很高的热导率，使得它在高功率设备中有良好的表现。此外，GaN同样是一种直接带隙半导体，因此被用于制造高效的蓝光和白光LED，大大推动了照明领域的革新。

• 氧化镓（Ga2O3）：相比其他半导体材料，新兴的Ga2O3拥有更宽的带隙（大约4.8 eV），使其在高压、高频的电力电子设备中有显著优势。这也意味着它可以在更极端的环境中工作，例如更高的温度和更强的辐射。另一方面，Ga2O3的制备成本较低，使其在大规模应用上具有优势。未来，Ga2O3在手机快充、 5G通信、 电源、 新能源汽车、LED 以及雷达等方面具有远大的应用前景。

• 锑化镓（GaSb）：GaSb有一个非常窄的带隙，使得它可以用于制造红外探测器和红外激光器。这意味着它在通信、医疗、军事和环境监测等领域有潜在的应用。此外，GaSb在热光伏领域也有潜在的应用，可以用于将热能高效地转化为电能。这是一种重要的红外检测材料，可以用于制造红外探测器和红外激光器。

  
  

下表是它们的性能和劣势、挑战和优势应用对比。