跨越時(shí)代 —— 第四代半導(dǎo)體潛力無限

來源:半導(dǎo)體材料及器件

二戰(zhàn)以來，半導(dǎo)體的發(fā)展極大的推動(dòng)了科技的進(jìn)步，當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域是中美競(jìng)爭的核心領(lǐng)域之一。以硅基為核心的第一代半導(dǎo)體，國外遙遙領(lǐng)先；而今，第四代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化即將落地，能否彎道超車拭目以待。
摘要
第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）和鍺（Ge）材料為代表，第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表，第三代半導(dǎo)體材料指寬禁帶半導(dǎo)體材料，是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等為代表。芯片對(duì)運(yùn)算、功耗、環(huán)境的極限需求，對(duì)半導(dǎo)體材料的性能提出新的挑戰(zhàn)，第四代半導(dǎo)體——超寬禁帶半導(dǎo)體：以氮化鋁 (AIN)、氧化鎵(Ga2O3)、金剛石（Diamond）為代表開始走向市場(chǎng)。雖然第四代半導(dǎo)體當(dāng)下仍面臨成本、大面積制備等諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，第四代半導(dǎo)體在5G通訊，人工智能、汽車電子、云計(jì)算等諸多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，也為投資帶來了的新的機(jī)遇。
01半導(dǎo)體發(fā)展歷史
芯片是現(xiàn)代工業(yè)的明珠，芯片的核心在于半導(dǎo)體材料和工藝。

被譽(yù)為世界上第四大發(fā)明的半導(dǎo)體，其重要性不言而喻。生活中的手機(jī)、電視、電腦、汽車等電子產(chǎn)品、設(shè)備都與半導(dǎo)體無不相關(guān)。而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體材料，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,半導(dǎo)體材料也在逐漸發(fā)生變化,已經(jīng)從第一代半導(dǎo)體材料過渡到第四代半導(dǎo)體材料。
第一代半導(dǎo)體材料是指硅（Si）和鍺（Ge）等元素的半導(dǎo)體材料。在1990年以前，以硅材料為主的第一代半導(dǎo)體材料由于自然界儲(chǔ)存量較大、芯片制造工藝成熟等因素占據(jù)絕對(duì)的統(tǒng)治地位。由第一代半導(dǎo)體材料制成的晶體管取代了體積大、成本高、壽命短、制造繁瑣、結(jié)構(gòu)脆弱的電子管，推動(dòng)了集成電路的飛快成長，重點(diǎn)被應(yīng)用于低電壓、低頻、中功率器件。至2021年，全球以硅作為主要材料制造的半導(dǎo)體芯片和器件超過95%。第一代半導(dǎo)體材料奠定了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。
第二代半導(dǎo)體材料的主要是指興起于20世紀(jì)70年代的以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物半導(dǎo)體材料。相比于第一代半導(dǎo)體材料硅，砷化鎵在電子遷移率方面展現(xiàn)出了極高的優(yōu)點(diǎn)，并具有較寬的帶隙，可以滿足高頻和高速的工作環(huán)境，是制造高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。由于信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星通訊、現(xiàn)代移動(dòng)通信、光通信、GPS導(dǎo)航等行業(yè)也普遍地使用第二代半導(dǎo)體材料。雖然第二代半導(dǎo)體材料相較于第一代半導(dǎo)體材料有了較大的進(jìn)步，但第二代半導(dǎo)體材料也有著嚴(yán)重的短板，其禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度在高溫、高功率等較為極端環(huán)境中并不能滿足工作運(yùn)行的條件。其次，第二代半導(dǎo)體的原材料不僅資源稀缺，價(jià)格昂貴，而且具有毒性，對(duì)環(huán)境和人體都不夠友好，應(yīng)用受到一定的局限。
第三代半導(dǎo)體材料通常是指禁帶寬度大于2.3eV或等于2.3eV的半導(dǎo)體材料，也被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料，是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）等為代表的化合物半導(dǎo)體材料。其具有寬的禁帶寬度、高電子飽和速率、高擊穿電場(chǎng)、較高熱導(dǎo)率、耐腐蝕以及抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，更適用于高溫、高頻等極端環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于高電壓、高功率等領(lǐng)域。碳化硅的顯著優(yōu)點(diǎn)是碳化硅器件在高溫下具有很好的可靠性，適用于電力電子功率器件等領(lǐng)域。氮化鎵的優(yōu)勢(shì)在高頻領(lǐng)域，適合應(yīng)用于通信基站、消費(fèi)電子等場(chǎng)合。除此之外，氮化鎵作為一種結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定、類似纖鋅礦的化合物，又是高熔點(diǎn)并且堅(jiān)硬的材料，因此適用于極端環(huán)境。氧化鋅是在熔點(diǎn)、成本等方面表現(xiàn)出極大應(yīng)用前景的化合物半導(dǎo)體材料。氧化鋅研究的重要方向是壓電器件和壓電光電子器件應(yīng)用。
然而，基于第三代半導(dǎo)體的各類電子器件正在接近其可實(shí)現(xiàn)性能的理論極限。為了應(yīng)對(duì)未來更加苛刻的電學(xué)、光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景所帶來的全新挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界正在圍繞超寬禁帶半導(dǎo)體（UWBG）開展前沿技術(shù)研究。其中，代表性的超寬禁帶半導(dǎo)體包括氮化鋁 (AIN)、氧化鎵(Ga2O3)、金剛石（Diamond）等，這些材料也被國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界稱為“第四代半導(dǎo)體”。第四代半導(dǎo)體具有卓越的理化特性，包括遠(yuǎn)超第三代半導(dǎo)體的帶隙、超高的擊穿電場(chǎng)、優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性等,在特高壓功率轉(zhuǎn)換、射頻信號(hào)處理、深紫外光電子學(xué)、極端環(huán)境(輻射、高溫)器件技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域均展現(xiàn)了突出的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用潛力。得益于技術(shù)迭代，第四代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)關(guān)注度日漸提升，全球布局企業(yè)數(shù)量不斷增加。在國際市場(chǎng)上，隨著研究不斷深入，第四代半導(dǎo)體材料研究已取得一定成果，但總體來看，目前第四代半導(dǎo)體材料仍處于產(chǎn)業(yè)化初期，規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用仍需技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降。

02第四代半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)
第四代半導(dǎo)體與傳統(tǒng)半導(dǎo)體（Si、GaN）的物理特性相比第一至三代半導(dǎo)體，第四代半導(dǎo)體最直觀的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在超寬的帶隙（Eg）與大擊穿場(chǎng)強(qiáng)（Eb）上，因而能夠承受更高電壓與功率所帶來的挑戰(zhàn)。并且，諸如巴利加優(yōu)值（BFOM）、約翰遜優(yōu)值（TFOM）等衡量功率電子、射頻電子器件綜合性能的指標(biāo)多以線性甚至高次非線性的方式隨Eg單調(diào)遞增，因此第四代半導(dǎo)體呈現(xiàn)出了壓倒性的優(yōu)勢(shì)。具體而言，BFOM原則上正比于Eb3，其值越大表明對(duì)應(yīng)低頻功率器件的承載功率越大、導(dǎo)通損耗越小，這意味著第四代半導(dǎo)體非常適合制造大功率電力電子器件。與此同時(shí)，JFOM與擊穿場(chǎng)強(qiáng)基本成正比，該參數(shù)越大表明射頻功放器件的截止頻率與功率輸出越高，這也說明第四代半導(dǎo)體更加適合于制造高性能射頻電子器件。
正因如此,近年來基于第四代半導(dǎo)體制造的功率電子與射頻電子器件已如“雨后春筍”般涌現(xiàn)出來。其中代表性的包括AIN絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、AIN金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、β-Ga2O3肖特基二極管（SBD）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、β-(A11-xGax)O3/Ga2O3高電子遷移率晶體管（HEMT）、金剛石SBD、金剛石MESFET等器件。以上這些器件已逐步在軍用雷達(dá)、射頻通信、電動(dòng)車充電樁、特高壓輸變電等技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。

03第四代半導(dǎo)體面臨的挑戰(zhàn)
不同種類的第四代半導(dǎo)體因材料結(jié)構(gòu)和制備工藝差別較大，其挑戰(zhàn)各異。
Ga2O3的挑戰(zhàn)：導(dǎo)熱性差和無優(yōu)異的P型性能Ga2O3的致命弱點(diǎn)是其導(dǎo)熱性不好，甚至可以說特別糟糕。氧化傢的熱導(dǎo)率僅為金剛石的六十分之一，是SiC的十分之一，是硅的五分之一。在實(shí)際應(yīng)用過程中，如在進(jìn)行電流放大或功率切換的器件中，導(dǎo)熱性差是其極其顯著的缺陷。低導(dǎo)熱率意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量很可能會(huì)留在那里，并有可能極大地限制器件的壽命。
另一個(gè)更根本的問題是，氧化稼只能傳導(dǎo)電子而不是空穴。沒有人能用Ga2O3制成性能優(yōu)異的p型半導(dǎo)體。而且，令人沮喪的是，該材料的基本電子特性沒有太大希望。特別是，材料帶結(jié)構(gòu)的價(jià)帶部分的空穴傳導(dǎo)形狀不正確。因此，即使存在某種摻雜劑導(dǎo)致受體處于正確的能級(jí)，所產(chǎn)生的任何空穴也有望在能有助于傳導(dǎo)之前自陷。當(dāng)理論和數(shù)據(jù)如此一致時(shí)，很難說有辦法解決這個(gè)缺點(diǎn)。
金剛石：尺寸和成本是關(guān)鍵晶圓尺寸越大，可生產(chǎn)的芯片就越多，金剛石也是同樣道理，只有大尺寸晶圓才能引領(lǐng)商業(yè)化的未來。但就目前來說，金剛石大尺寸襯底材料缺乏，且普遍采用的異質(zhì)外延襯底、襯底拼接等方法得到的大尺寸外延材料內(nèi)部缺陷過多，以CVD摻氮金剛石為例，目前尺寸為6mm x 7mm的金剛石單晶薄片位錯(cuò)密度可低至400cm-2，但4~8英寸的金剛石異質(zhì)外延晶圓位錯(cuò)密度接近107cm-2。
金剛石半導(dǎo)體成本仍然高昂。與硅相比，碳化硅（SiC）的價(jià)格是硅的30-40倍，氮化鎵（GaN）的價(jià)格是硅的650-1300倍，而用于半導(dǎo)體研究的合成金剛石材料價(jià)格幾乎是硅的10000倍。如果以這種價(jià)格來看，即使它能夠有效提高芯片的功效，TCO（總擁有成本）也會(huì)被高材料成本所淹沒。
對(duì)于金剛石半導(dǎo)體而言，性能上沒有明顯短板，大尺寸和低成本制備是關(guān)鍵。
AIN：工藝和成本當(dāng)前，AIN單晶襯底的制造工藝尚不成熟，晶格缺陷密集、晶圓尺寸較小，制造成本居高不下。
AIN半導(dǎo)體材料經(jīng)過近20年的發(fā)展,取得了長足的進(jìn)步,但目前仍面臨巨大挑戰(zhàn),如在長晶迭代優(yōu)化過程中,需要不斷攻克諸如熱場(chǎng)優(yōu)化、原料純度控制、高質(zhì)量籽晶制備、初始成核生長、寄生成核、應(yīng)力控制、缺陷抑制與極性控制等一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。AIN單晶目前最大尺寸僅為60mm，目前國內(nèi)外有能力生長出2英寸AIN單晶的單位非常有限。與目前較為成熟的SiC、GaN襯底材料相比，AIN單晶生長及其襯底加工具有更高的技術(shù)難度和成本。盡管眾多研發(fā)機(jī)構(gòu)在PVT法制備AIN單晶方面做出了長期不懈努力,但過去幾十年的研究進(jìn)展顯明AIN體單晶尺寸平均僅以2.5mm/y左右的速度在增加,近幾年還有放慢的節(jié)奏。這或許與下游器件研究嚴(yán)重滯后有關(guān)，沒有器件的需求和反饋，材料不知發(fā)力的方向，更沒有終端市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)牽引效應(yīng)。因此，AIN單晶的制備無論從生長機(jī)理的認(rèn)識(shí)上，還是長晶工藝技術(shù)的突破上，以及材料-器件-應(yīng)用的協(xié)同上都面臨著許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
04第四代半導(dǎo)體：禁止對(duì)華出口，仍需自主可控
在第四代半導(dǎo)體領(lǐng)域，我國與世界頂尖水平仍存在一定差距。以AIN為例，十余年來任意尺寸的AIN單晶襯底直位列對(duì)華禁運(yùn)名單中。因?yàn)樯a(chǎn)工藝難度大，目前國外有能力生產(chǎn)出2英寸及以上高質(zhì)量AlN單晶晶圓的機(jī)構(gòu)屈指可數(shù)，代表性的有美國的HexaTech、Crystal IS等公司，這些公司基本壟斷了AIN高端產(chǎn)品線。不過近幾年，國內(nèi)的奧趨光電、中電科46所、松山湖實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)等企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)也先后攻克了該材料的生產(chǎn)工藝難題并達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但是其成熟度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提升。與此同時(shí)，單晶氧化鎵、金剛石也已于2022年8月被美國商務(wù)部列入出口管制名單，禁止對(duì)我國出口。這些跡象均表明，以第四代半導(dǎo)體為標(biāo)志的新一輪科技競(jìng)賽已悄然打響。
05第四代半導(dǎo)體應(yīng)用展望
5G通信5G通訊是第四代半導(dǎo)體技術(shù)最為廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域之一。由于5G網(wǎng)絡(luò)需要具備更高的速度、更低的延遲和更大的帶寬，因此需要采用更高效、更穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料和器件。目前，碳化硅和氮化鎵等第四代半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為5G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以有效提高5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和信號(hào)質(zhì)量。
人工智能人工智能是另一個(gè)極具應(yīng)用前景的領(lǐng)域，需要極高的計(jì)算能力和能耗控制。由于第四代半導(dǎo)體技術(shù)具有低功耗、高計(jì)算能力等特點(diǎn)，因此可以滿足人工智能領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體技術(shù)的高要求，從而推動(dòng)人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
汽車電子汽車電子隨著汽車電子化程度的不斷提高，對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的要求也越來越高。第四代半導(dǎo)體技術(shù)可以提供更高效、更可靠的汽車電子解決方案，從而滿足了汽車行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的諸多需求。
云計(jì)算云計(jì)算是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，需要大量的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等設(shè)備。由于這些設(shè)備需要大量的能源和空間，因此需要采用低功耗、高效率的半導(dǎo)體材料和器件。第四代半導(dǎo)體技術(shù)可以提供更高效的計(jì)算解決方案，從而為云計(jì)算行業(yè)帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

總之，第四代半導(dǎo)體具有遠(yuǎn)超第三代半導(dǎo)體的帶隙、超高的擊穿電場(chǎng)、優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性等特性，隨著工藝的成熟和成本的降低，市場(chǎng)潛力巨大。

【近期會(huì)議】

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11月28-29日，“第二屆半導(dǎo)體先進(jìn)封測(cè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)”將再次與各位相見于廈門，秉承“延續(xù)去年，創(chuàng)新今年”的思想，仍將由云天半導(dǎo)體與廈門大學(xué)聯(lián)合主辦，雅時(shí)國際商訊承辦，邀您齊聚廈門·海滄融信華邑酒店共探行業(yè)發(fā)展！誠邀您報(bào)名參會(huì)：https://w.lwc.cn/s/n6FFne

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審核編輯 黃宇