《瞰势》⑤ | 成都科创投集团年度研报:超晶格——原子级能带剪裁,撬动国防与未来产业的核心支点

成都科创投集团年度研究报告（五）

摘要

半导体的核心功能依赖电子、空穴等载流子的能量状态与输运行为，然而天然半导体材料的能带结构固定，导致载流子的迁移率、能级间隔、复合效率等本质特性不可调，限制了下游场景应用；而能带工程通过人工调控能带结构，实现了载流子特性的精准定制，从根本上突破了体材料的局限，极大拓宽了半导体的应用边界。

半导体超晶格技术作为能带工程的典型代表，凭借其人工调控的量子特性与可定制化性能，让载流子从“被动适应材料”变为“主动适配应用”，实现可见到长波红外光信号、电信号以及热信号之间的高效转换，在高温高灵敏度（量子效率）探测芯片、可调高功率激光芯片、高热电优值热电芯片已取得广泛应用。超晶格作为可精准调控能带的通用半导体材料技术，在当前全球半导体产业上游技术瓶颈的突破诉求与下游高端应用的需求牵引的双重推动下，相关器件的性能和量产工艺持续迭代，在半导体埃米制程、量子通信和计算、THz源、高效光伏材料等领域极具应用潜力，正在成为撬动人工智能、量子信息、6G等多个未来产业升级的核心支点。

由于欧美国家为了维持在军事和高科技领域的领先优势，用于制备超晶格的分子束外延设备、II类超晶格红外探测器以及高性能半导体激光器等军民两用器件被列入瓦森纳禁运协议，对我国实施技术封锁。随着国内MOCVD/MBE等设备和工艺的持续突破，超晶格技术正逐步打通“实验室－产业化”转化路径。

本文对超晶格产业链具备投资价值的赛道进行了梳理和总结，建议关注的重点领域如下：

l量子级联激光器、II类超晶格探测器、超晶格TEC制冷等超晶格半导体器件工艺趋于成熟，因其高量子效率等独特优势，下游应用打开成长空间，具备放量预期。其中，量子级联激光器，具有带隙可调、波段可调、高功率输出等优势，波长可覆盖3-250μm，突破传统激光器的波段限制，在激光通信、红外对抗、气体探测、激光雷达等领域需求刚性且逐步放量。Ⅱ型超晶格作为第三代红外光电探测核心技术，因其特殊的载流子的分离效应而具备更高的响应率和电子有效质量、更低的俄歇复合概率等优点，且具备近一半的成本优势，在红外应用领域逐步替代MCT技术的趋势越来越清晰，在国防军工、工业环保、安防监控等领域持续放量。

l国内分子束外延设备（MBE）超晶格外延设备及相关材料等“卡脖子”细分领域技术加速突破，国产替代提速或带来产业链投资机遇。超晶格芯片需要上千层的外延，MBE设备是重要的设备，外延层的厚度、材料比例、缺陷控制等参数直接决定了超晶格芯片的发射波长、效率、可靠性、老化等指标性能和良率。目前，MBE设备主要由法国Riber、美国Veeco、芬兰DCA等欧美企业垄断，外延代工方面由美国英特磊主导，国内部分领先企业已突破国外技术封锁，处于技术验证和小批量出货阶段；在上游高纯元素方面，我国已打破国外垄断且技术趋于成熟，进入快速国产替代阶段。

l超晶格材料作为人工设计的周期性多层结构材料，凭借量子限制、能带可精准剪裁等独有特性，突破了传统半导体材料的性能局限，在6G近室温太赫兹源、第三代高效太阳能量子点超晶格电池、基于超晶格的环栅极纳米片场效应晶体管（GAAFET）2nm制程工艺、基于忆阻器的存算一体架构、半导体热电芯片、量子计算和通信领域用于精准调控量子状态的莫尔拓扑超晶格等未来产业关键技术中有极大的应用潜力。可密切关注以热电芯片、THz技术、量子芯片技术突破和产业落地带来行业变革的投资机会，前瞻卡位6G、量子科技、存内计算、下一代新能源等未来产业细分赛道。

超晶格材料是由两种或多种禁带宽度不同、晶格匹配、性质不同的超薄层材料按照一定厚度（纳米级）交替排列，周期性堆叠形成的人工有序多层异质结晶体结构。相邻两层不同材料的厚度之和称为超晶格的周期长度，其周期长度一般介于纳米尺度（几纳米到几十纳米），是各层单晶的晶格常数的几倍或更长，但仍具有准晶体序，因此这种结构获得了“超晶格”的名称。

超晶格结构示意图

在超晶格中，载流子的运动不仅包括平行于量子阱界面的纵向运动，还包括垂直于界面的横向运动（即隧穿效应）。超晶格材料连续能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关。超晶格中电子的跃迁是电子在同一主能带（如导带）内的不同迷你能带之间的跃迁，本质是“准连续能带间的整体跃迁”，而非单个量子阱内的离散能级跃迁。跃迁能量可通过超晶格周期连续调控，且跃迁后电子能继续量子隧穿到下一级量子阱结构中，大幅提升量子效率（如实现单电子激发多光子的级联放大效应）。

超晶格量子级联激光器的级联放大效应

基于超晶格的带结构工程可以在原子层级直接“编程”电子的动力学行为，使得超晶格材料具备一些特殊的性质。

超晶格的能带可通过层厚、组分等人工调控材料的结构参数，突破了传统半导体材料能隙由本征组分决定的局限，实现超宽禁带范围内的连续可调。如，量子阱激光器可通过能带裁剪实现特定波长的激光输出，Ⅱ 类超晶格红外探测器可覆盖 1-25μm 全红外波段。

超晶格的势垒层对载流子的限制减少了非辐射复合和晶格散射，同时应变调控可优化载流子输运通道，使超晶格的载流子迁移率远高于体材料。例如，SiGe/Si 超晶格的空穴迁移率可达体 Si 的 3-5 倍。

超晶格的量子限制效应降低了载流子的非辐射复合概率，使超晶格光电器件具备低阈值电流和高量子效率。如，量子阱激光器的阈值电流密度可低至 100A/cm² 以下（传统激光器为 kA/cm² 量级），电光转换效率超 80%。

超晶格的周期性异质结的势垒层可阻挡高能粒子和晶格缺陷的扩散，使超晶格具备优异的抗辐射性和热稳定性。如InAs/GaSb Ⅱ类超晶格的抗辐射剂量达10kGy 以上，远超传统碲镉汞（MCT）材料。

拓扑超晶格可通过能带裁剪实现无耗散边缘态传输，电子沿边缘无散射流动，且对缺陷、杂质具有强鲁棒性。这种特性为低功耗自旋电子器件、容错量子计算提供了核心材料基础，有望突破传统半导体的能耗与性能瓶颈。

超晶格材料五大特点

超晶格发展至今经历了从概念提出，制备技术的突破，器件应用的突破，射频-光子器件的广泛商用，埃米制程、量子信息、存内计算等未来产业应用领域的持续拓展和创新等五个阶段。

20世纪70年代为概念提出阶段，IBM的江崎玲于奈与朱兆祥提出半导体超晶格微能带概念，并在衬底上交替生长数十层原子级厚度的异质结构，形成超天然晶格周期的周期结构。1971年至20世纪80年代为制备技术突破阶段，美籍华人科学家卓以和、张立纲发明分子束外延技术（MBE）并实现GaAs/AlGaAs超晶格生长，后续MOCVD、ALD等技术逐步成熟，弥补了MBE造价高的短板，推动半导体能带工程迈入“带隙剪裁”时代。1980年至20世纪90年代为器件应用突破阶段，超晶格成为射频－光子商用核心材料，GaAs/AlGaAs调制掺杂异质结大幅提升晶体管电子迁移率，InP-HEMT开启毫米波通信时代，首个低温工作的量子级联激光器（QCL）成功发明，实现高能量转换效率发光。2000年后为射频-光子器件广泛商用阶段，超晶格器件批量生产并广泛商用，室温连续工作QCL技术成熟，InAs/GaSb超晶格实现高效红外吸收，AlN/GaN超晶格奠定高压GaN商业化基础，GaP/Si超晶格电光调制器将其带入硅光CPO赛道，有力支撑光通信、微波通信发展。2020年之后为应用领域持续拓展和创新阶段，新型超晶格材料持续涌现，应用拓展至量子通信和计算、2nm GAAFET制程工艺、基于超晶格忆阻器的高性能存内计算、可控超导、电磁屏蔽新材料等各个细分赛道。

上游高纯原材料方面，涉及超晶格半导体材料的镓（Ga）、砷（As）、铟（In）、锑（Sb）等III、V族元素，我国储量丰富，均位于世界第一；在用于半导体高纯元素（纯度5N—7N）制备工艺方面，我国已取得突破且趋于成熟；作为超晶格衬底的第四代超窄禁带半导体材料GaSb（锑化镓），目前全球范围内的GaSb衬底供应商主要是英国IQE集团旗下的英国Wafer Technology公司、美国Galaxy compound semiconductors公司以及加拿大5N Plus集团已量产7英寸，目前中国科学院半导体研究所是国内 GaSb 材料的主要供应商，国内已经有多家公司实现了2-4英寸GaSb衬底的批量生产。

超晶格芯片需要上千层的外延，是超晶格制备过程中最重要的环节，外延层的厚度、比例、缺陷控制等参数直接决定了超晶格芯片的发射波长、效率、可靠性、老化等指标性能和良率。用于超晶格外延制备的分子束外延设备（MBE）具有超高真空、超高精度、超高均匀性薄膜沉积等特点，是化合物半导体材料、器件制造的核心工艺装备，目前主要由法国Riber、美国Veeco、芬兰DCA等欧美企业垄断，工艺最高支持4×8英寸/批。由于 MBE 在国防工业上有重要应用，西方国家“瓦森纳安排”将 MBE 设备列入“禁运清单”，目前国内中电科48所等企事业单位已突破6英寸MBE外延设备，新凯来开发的 EPI（峨眉山3号）已经突破晶体管沟道外延和超晶格叠层外延工艺，支持制程工艺向未来先进节点演进。在外延代工方面，全球MBE外延片被英国IQE和美国英特磊两家垄断，国内部分领先企业已突破国外技术封锁，处于技术验证和小批量出货阶段。

下游超晶格芯片制造及器件应用方面，超晶格已经在高量子效率锑化物Ⅱ类超晶格红外探测器（T2SL）、高功率量子级联激光器（QCL）、高热电优值热电制冷芯片（TEC）领域取得商业化应用。

T2SL响应截止波长可在3~30μm连续可调，与现有碲镉汞（MCT）技术路线相比具有相近的量子效率、因超晶格特殊的载流子的分离效应而具备更高的响应率和电子有效质量、更低的俄歇复合概率等优点，且具备近一半的成本优势，成为制冷红外领域热门材料，广泛应用于导弹导引头、红外遥感、工业检测、无人机感知等领域，根据Maxtech International数据2025年全球军用红外热成像市场规模超100亿美元；QCL激射波长范围突破了传统半导体材料带隙限制，覆盖从中红外波段到太赫兹波段（3~300 μm），在自由空间光通信、痕量气体、物质检测以及军事红外对抗等领域具有广阔的应用前景，据QYResearch数据，2025年全球民用QCL市场销售额超4亿美元；基于超晶格的Micro TEC芯片利用超晶格的量子限域和能量过滤效应实现塞贝克系数和电导率的独立调控，具有高热电优值、温控精确等优点，在光模块、计算芯片等微型化、精准温场景需求刚性，据天风证券测算，2025年仅光模块所需Micro TEC的市场规模就超60亿元人民币。伴随着人工智能、6G通信等未来产业的发展，相关市场空间有望持续放量。

但因MBE设备禁运叠加军工应用属性等因素，国外相关技术对我国实施严格封锁，相关市场长期被欧美企业占据。随着国内科研投入持续加大、国产 MBE 设备技术突破以及下游国防军工、工业检测等领域需求的刚性拉动，国产替代进程全面加速，国内部分企业在T2SL、QCL、TEC已经取得突破性进展。

除在上述的红外探测器、中长波量子级联激光器、热电材料领域有广泛的应用外，超晶格因其能带可定制可调节的特性在其他诸多领域也有特殊的应用优势。如在射频方面，利用超晶格结构的量子限制效应降低载流子散射概率得到高电子迁移率的二维电子气，用于生产GaN等高电子迁移率晶体管HEMT；在光伏领域，在 GaSb 衬底上通过 LPE、MBE 或MOCVD 生长与晶格匹配的 InGaAsSb 可制备节超晶格太阳能电池，可通过分层吸收不同波段的太阳光拓宽电池光谱相应范围，实现更高的光电转换效率；在制程工艺方面，基于超晶格栅极工艺的环绕栅极纳米片场效应晶体管（GAAFET）可以提升栅控能力，解决短沟道效应，推进制程进入埃米时代；在太赫兹领域，基于超晶格 “调制掺杂” 与 “能带工程” 原理，通过设计 GaN/AlGaN、InP/InGaAs 等超晶格体系，有望突破传统太赫兹源的低温限制；在存算一体方面，基于超晶格结构的忆阻器克服了传统忆阻器精度低、耐久性差、多级开关能力弱等问题，同时兼具光子敏感性，为神经形态计算提供了高稳定、高集成度的硬件平台，有望加速推动模拟存算一体技术在下一代智能视觉系统、边缘计算方面的应用；在量子通信领域，光学超晶格是目前产生纠缠光子的常用材料，通过对超晶格的畴结构进行设计以满足准相位匹配条件，进而高效地产生纠缠光子对。

半导体超晶格是由两种或多种不同半导体材料以纳米级厚度交替堆叠形成的周期性结构，具有人工设计的量子阱和势垒，使得载流子在纳米尺度受限，能级分立化，形成独特能带结构，进而影响器件的光电特性，整个设计制造技术门槛极高，具有“能带设计自由度高、产品性能可剪裁、行业技术壁垒高、下游应用场景广”的显著特点，是资本和产业博弈的焦点。

超晶格制造精度的要求苛刻，技术门槛极高

半导体超晶格是微观物理与现代制造技术交汇的前沿领域，其核心性能（如量子限制效应、能带结构、光谱响应范围、电子迁移率等）完全依赖于纳米尺度上的结构精确性。在高达上千层交替堆叠形成的周期性结构中，任何一层的厚度、组分、界面质量（平整度、错位密度等）出现偏差，都可能导致整个器件失效，整个设计制造技术门槛极高，需要精确的材料体系和能带设计能力、原子级精度制造能力（层厚精确至±0.1nm、生长过程材料灵活快速调控保证各组分精确配比、界面陡峭度需要原子级平整形成完美的量子势阱和势垒），严重依赖被“卡脖子”禁运的分子束外延设备（MBE）。

行业发展直接关联国防安全、科技自主、产业链安全及战略性新兴产业升级，是国家科技竞争的关键赛道

超晶格产业作为半导体、光电等高端制造领域的核心支撑，具备强大的产业链牵引能力，可带动上游材料、高端设备，下游光电子、量子科技、埃米先进制程等全链条升级，其发展不仅关乎单一领域的技术突破，更牵动战略性新兴产业生态的构建与全球科技竞争的话语权。从国家战略视角看，其战略价值贯穿国防、通信、半导体高端制程、量子科技等国之重器领域，具备不可替代性。

（三）

下游应用领域广泛且高端

超晶格作为可精准调控能带的通用半导体材料技术，在当前全球半导体产业上游技术瓶颈的突破诉求与下游高端应用的需求牵引的双重推动下，相关器件的性能和量产工艺持续迭代，已在高精度红外探测器、高功率中远红外激光芯片、高热电优值热电材料芯片领域取得商业化应用，并在半导体埃米制程、量子通信和计算、模拟存内计算、THz源、高效光伏材料等领域极具应用潜力，正在成为撬动人工智能、量子信息、6G等多个未来产业升级的核心支点。

锑化物超晶格的应用

投资策略

在当前全球半导体产业上游技术瓶颈的突破诉求与下游高端应用的需求牵引的双重推动下，超晶格器件的性能和量产工艺持续迭代，其作为可精准调控能带的通用半导体材料技术，已经成为突破制程瓶颈、延续摩尔定律，制备高性能光电器件的核心技术。随着国内MOCVD/MBE等制备工艺的成熟，超晶格技术正逐步打通“实验室 - 产业化”转化链路，正在成为撬动量子通信、6G、人工智能等多个未来产业升级的核心支点。

优先布局下游需求爆发，打开成长空间的红外半导体激光器、探测器及TEC制冷等光电赛道

光电领域对高性能器件的刚性需求，为超晶格技术提供了广阔且稳定的投资场景。

在红外探测领域

Ⅱ 型超晶格作为第三代红外光电探测技术核心，因其具备响应波长范围可调、高量子效率、高探测率、低暗电流、低成本等优势，在红外应用领域逐步替代MCT技术的趋势越来越清晰。受益于国防军工、工业环保、安防监控等领域需求持续释放，叠加‌商业航天（卫星遥感）与低空经济（红外避障、夜间导航）带来的新增需求驱动，红外探测器市场空间持续增长。

在红外半导体激光器领域

在红外半导体激光器领域，基于超晶格工艺的量子级联激光器，具有带隙可调、波段可调、高功率输出（“单电子多次跃迁发光”）等优势，在军用激光通信、红外对抗、气体探测、激光雷达等领域持续放量。此外，随着国内量子级联激光器MBE、MOCVD工艺的突破，将加速QCL 的应用。

在半导体制冷芯片领域

因其体小量轻、快速制冷、精确控温等优点，已经广泛应用于消费电子、光通信、医疗器械、家用电器、汽车热管理、航空航天、激光器、红外热像等诸多领域；相较于传统基于PN结的TEC芯片，基于超晶格工艺的TEC芯片可通过量子限制效应优化载流子输运、降低晶格热导率获得更高的制冷效率，其热电优值已突破2，伴随着AI计算、航空航天等产业发展，超晶格TEC芯片将迎来放量预期。

重点深耕MBE超晶格外延设备及相关材料等“卡脖子”细分赛道，把握国产替代提速带来的产业链投资机遇

高端超晶格相关器件的核心制造环节长期被国外垄断，国内自主可控工艺和设备持续突破，国产替代进程加速。超晶格芯片需要上千层的外延，是超晶格制备过程中最重要的环节，外延层的厚度、比例、缺陷控制等参数直接决定了超晶格芯片的发射波长、效率、可靠性、老化等指标性能和良率。在用于半导体高纯元素（纯度5N—7N）制备工艺方面，我国已打破国外垄断且技术趋于成熟；在超晶格衬底GaSb材料方面，英国Wafer Technology、美国Galaxy compound semiconductors以及加拿大5N Plus等欧美企业已量产7英寸衬底，国内企业已实现4英寸小批量供货；在外延代工方面，国内企业已完成GaSb外延工艺研发及小批量出货；在外延设备环节中，分子束外延设备（MBE）装备主要由法国Riber、美国Veeco、芬兰DCA等欧美企业垄断，国内企业已突破4-6英寸MBE设备。

密切关注以热电芯片、THz技术、量子芯片技术突破带来行业变革的投资机会，前瞻卡位6G、量子通信、存内计算、下一代新能源等未来产业细分赛道

超晶格材料作为人工设计的周期性多层结构材料，凭借量子限制、能带可精准剪裁等独有特性，突破了传统半导体材料的性能局限，推动了6G、量子通信、存算一体以及等行业的技术革新速度和产业落地进程。

在6G方面

高性能的太赫兹源是推动电信技术从微波频段过渡到太赫兹频段核心技术，基于超晶格结构的太赫兹源突破了传统 THz 源依赖超低温制冷、辐射调控能力弱、系统体积庞大等性能瓶颈，实现了近室温运行，可借助热电制冷TEC芯片工作，提高集成度；利用超晶格结构的量子限制效应能得到高电子迁移率的二维电子气，用于生产GaN等高电子迁移率晶体管HEMT。此外，太赫兹波介于微波与红外线之间，其频谱范围与生物大分子的振动和转动能级，以及半导体、超导材料等的声子振动能级重合，兼具高穿透性、高分辨率等特性，在光谱分析和物质识别等方面具有非常广泛的应用前景，其技术突破正重塑安检、通信、医疗等多个行业。

在光伏领域

基于Si 量子点超晶格第三代太阳能电池，因其独特的量子效应可实现显著的能带调节，将其与 125mm 单晶硅电池结合后，电池在短波长区域的量子效率得到明显改善，理论转换效率可达 70% 以上，远超当前商用硅基电池 15%—22% 的转换效率，且原材料丰富、无毒，兼具性能与环保优势。在 GaSb 衬底上通过 LPE、MBE 或MOCVD 生长与晶格匹配的 InGaAsSb 可制备节超晶格太阳能电池，可通过分层吸收不同波段的太阳光拓宽电池光谱响应范围，实现更高的光电转换效率。

在制程工艺方面

FinFET 靠栅极三面包围鳍片沟道控制电流，支撑了 22 纳米到 3 纳米的主流制程，但到 2 纳米节点时，晶体管尺寸和间距已小到极致。过窄的鳍片会导致电阻升高，且鳍片底面与硅衬底接触，栅极无法完全掌控沟道，漏电流大幅增加，同时短沟道效应加剧，使得晶体管开关控制失效，功耗飙升，这些问题 FinFET 的结构已无法通过优化解决。而 GAAFET 的沟道将鳍片改为纳米片，栅极可四面包围沟道，彻底隔绝沟道与衬底的直接接触，大幅增强静电控制能力，精准抑制短沟道效应和漏电流。其核心工艺是水平堆叠的超晶格沟道，是由积硅（Si）和硅锗（SiGe）交替沉形成超晶格结构，该结构打破了电子传输的晶格散射限制，让电子或空穴移动速度加快，进而解决短沟道效应，提升晶体管的栅控能力（开关速度与驱动能力），推动芯片制程由纳米进入埃米时代，为摩尔定律的延续提供了核心技术支撑。

在存算一体方面

存内计算通过打破冯・诺依曼架构的 “内存墙”，实现计算与存储一体化，大幅提升数据处理速度和能效，是 AI 大模型、工业实时控制的核心支撑技术。基于超晶格结构的忆阻器克服了传统忆阻器精度低、耐久性差、多级开关能力弱等问题，同时兼具光子敏感性，为神经形态计算提供了高稳定、高集成度的硬件平台，有望加速推动模拟存算一体技术在下一代智能视觉系统、边缘计算方面的应用。

在半导体热电芯片领域

利用热电材料的塞贝克效应可将余热、废热直接进行温差发电。然而高性能热电材料要求材料在大温差下兼具高导电和低导热，但是这通常是一对矛盾。而超晶格结构可通过量子限制效应实现载流子输运提升、晶格热导率降低的协同优化，进而大幅优化热电性能。目前，国内的电能很大一部分是由热能转化而来，能量间转换主要是利用热能加热液体或蒸汽以驱动汽轮机发电，能量转换过程中产生了大量余热和废热，约占总产生能量的2/3，基于超晶格结构的热电芯片可实现热能与电能的高效转换，不但可以有效地缓解能源短缺问题，也有利于减少环境污染；此外，半导体热电芯片还可解决电池热管理难题，提升电池寿命与安全性。

在量子通信领域

基于对光学超晶格畴结构的精确设计可高效地产生纠缠光子对。莫尔拓扑超晶格既保留了拓扑材料低耗散、高鲁棒性的电子输运优势，又能通过超晶格的周期结构实现对拓扑态的精准调控，可为低功耗电子器件、容错量子计算等前沿领域提供核心材料基础。

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