第四代半導(dǎo)體概念

第四代半導(dǎo)體概念第一、二、三、四代半導(dǎo)體材料各有利弊，在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，但不可否認(rèn)的是，中國在第一、二代半導(dǎo)體的發(fā)展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業(yè)占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面，中國與世界領(lǐng)先水平之間都存在著明顯的差距。國內(nèi)可能并且走在世界前沿的半導(dǎo)體材料或者能讓中國在半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車并以此為契機(jī)助力中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)會應(yīng)該是對新型材料的研究與開拓，比如應(yīng)用場景廣泛、波及行業(yè)眾多、產(chǎn)業(yè)占位靠前的在功率、射頻等方面可以大放異彩的氧化鎵材料；其具備制備成本較低、相對環(huán)保、性價(jià)比更高、材料屬性優(yōu)勢明顯、工藝制造精妙但成本相對較低優(yōu)勢等特點(diǎn)。在第三代半導(dǎo)體發(fā)展得如火如荼之際，氧化鎵、氮化鋁、金剛石等第四代半導(dǎo)體材料也開始受到關(guān)注。其中，氧化鎵(Ga2O3)是被國際普遍關(guān)注并認(rèn)可已開啟產(chǎn)業(yè)化的第四代半導(dǎo)體材料。氧化鎵(Ga2O3)在耐壓、電流、功率、損耗等維度都有其優(yōu)勢，此前被用于光電領(lǐng)域的應(yīng)用，直到2012年開始，業(yè)內(nèi)對它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究單位都在朝著該方向發(fā)展。日本在氧化鎵研究上是比較超前的。2012年日本報(bào)道了第一顆氧化鎵功率器件，2015年推出了高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底、2016年推出了同質(zhì)外延片，此后，基于氧化鎵材料的器件研究成果開始爆發(fā)式出現(xiàn)。我國氧化鎵的研究則更集中于科研領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程剛剛起步，但是進(jìn)展飛速，今年我國科技部將氧化鎵列入“十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”，讓第四代半導(dǎo)體獲得更廣泛關(guān)注。一個材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要材料、器件、模組、應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)形成完整循環(huán)。目前，第三代半導(dǎo)體材料已發(fā)展出完整的產(chǎn)業(yè)鏈，且向著成本不斷降低的方向發(fā)展；而氧化鎵則仍處于一個研究繼續(xù)深入，產(chǎn)業(yè)化初步開始的階段。氧化鎵想要獲得產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要具備至少3個要素：一是材料成本降低，足以用于產(chǎn)業(yè)；二是襯底、外延、器件產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展完善；三是，出現(xiàn)示范性應(yīng)用。此前，氧化鎵襯底主要采用導(dǎo)模法（EFG法）進(jìn)行生產(chǎn)，由于EFG法需要在1800℃左右的高溫、含氧環(huán)境下進(jìn)行晶體生長，對生長環(huán)境要求很高，需要耐高溫、耐氧，還不能污染晶體等特性的材料做坩堝，綜合考慮性能和成本只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。但一方面銥價(jià)格昂貴，價(jià)格是黃金的三倍，6英寸設(shè)備需要幾公斤的銥，相當(dāng)于一大塊黃金，僅坩堝造價(jià)就超過600萬，從大規(guī)模生產(chǎn)角度很難擴(kuò)展設(shè)備數(shù)量，另一方面，銥只能依賴進(jìn)口，給供應(yīng)鏈帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。值得關(guān)注的是，我國的深圳進(jìn)化半導(dǎo)體，日本東北大學(xué)聯(lián)合C&A公司都報(bào)道了無銥工藝，從關(guān)鍵材料端角度讓低成本氧化鎵成為可能，也推動整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進(jìn)程。什么是第四代半導(dǎo)體第四代半導(dǎo)體我們其實(shí)叫超禁帶半導(dǎo)體，它分兩個方向，一是超窄禁帶，禁帶寬度（指被束縛的價(jià)電子產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量）在零點(diǎn)幾電子伏特（eV），比超窄禁帶更窄的材料便稱為導(dǎo)體；二是超寬禁帶，如禁帶寬度在4.9eV的氧化鎵，以及更高的金剛石、氮化鋁等，當(dāng)禁帶寬度超過6.2eV，基本上就是絕緣體。目前來看，超禁帶半導(dǎo)體將會是最后一代半導(dǎo)體，尤其是金剛石很早就被稱為“終極半導(dǎo)體”。氧化鎵材料可以被用于什么產(chǎn)品？半導(dǎo)體材料的禁帶越寬，需要的激活能越大，才能將電子從一個束縛的電子變成自由電子，它對波長比較長的光吸收量很少，氧化鎵響應(yīng)波長250~300nm，因此可以用于探測日盲紫外光，目前這個方向受到科研人員的廣泛肯定。不過我們團(tuán)隊(duì)還是更熟悉功率應(yīng)用，光電應(yīng)用就期待其他團(tuán)隊(duì)來努力了。日盲紫外波段的光線無法透過大氣層，會被大氣層直接吸收。一旦在大氣層中探測到這種光線，那么它要么來源于閃電，要么來源于導(dǎo)彈，要么來源于戰(zhàn)斗機(jī)，可以用該材料當(dāng)作軍用光線探測器。此外，在電站、加油站等場景，故障早期出現(xiàn)電暈放電情況時(shí)也會發(fā)出這種紫外的光，如果狀況繼續(xù)惡化的，它就開始發(fā)熱并變成紅外的光，相當(dāng)于可以用氧化鎵防患于未然，不過能用做這種探測的材料還蠻多的，比如氮化鋁、碳化硅