熱點丨“第四代半導(dǎo)體” 迎重大突破！能否改變行業(yè)新技術(shù)？

隨著信息時代的發(fā)展，量子信息、人工智能等高科技領(lǐng)域?qū)τ?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93/">半導(dǎo)體的需求也是有更高要求，體積小、低功耗的第四代半導(dǎo)體將成為主力軍。

更為重要的是，目前第四代半導(dǎo)體領(lǐng)域全球國家都還在同一起跑線，因此，我國在第四代半導(dǎo)體的重大突破，有望助力芯片實現(xiàn)彎道超車，從而掀起一場資本盛宴。

第四代半導(dǎo)體的發(fā)展背景

隨著量子信息、人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體新體系及其微電子等多功能器件技術(shù)也在更新迭代。

雖然前三代半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)發(fā)展，但也已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出無法滿足新需求的問題，特別是難以同時滿足高性能、低成本的要求。

此背景下，人們將目光開始轉(zhuǎn)向擁有小體積、低功耗等優(yōu)勢的第四代半導(dǎo)體。

第四代半導(dǎo)體具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性、良好的導(dǎo)電性以及發(fā)光性能，在功率半導(dǎo)體器件、紫外探測器、氣體傳感器以及光電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前具有發(fā)展?jié)摿Τ蔀榈谒拇雽?dǎo)體技術(shù)的主要材料體系主要包括：窄帶隙的銻化鎵、銦化砷化合物半導(dǎo)體；超寬帶隙的氧化物材料等。

憑借氧化鎵的特性天生具備優(yōu)勢

氧化鎵是[第四代半導(dǎo)體]的典型代表，憑借其高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特性，成功進(jìn)入人們的視野。

氧化鎵是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的耐高壓與日盲紫外光響應(yīng)特性，在功率器件和光電領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

①氧化鎵超寬禁帶的特性能承受更高的崩潰電壓和臨界電場，使其在超高功率元件的應(yīng)用極具潛力。

②氧化鎵材料具備更高的擊穿電場強(qiáng)度與更低的導(dǎo)通電阻，從而實現(xiàn)能量損耗更低、功率轉(zhuǎn)換效率更高。

③硅上氧化鎵異質(zhì)外延有利于硅電路與氧化鎵電路的直接集成，同時擁有成本低和散熱好等優(yōu)勢。

④成本優(yōu)勢，相對于目前采用的寬禁帶技術(shù)，氧化鎵憑借高質(zhì)量與大尺寸的天然寸底，具備著顯著的成本優(yōu)勢。

我國在氧化鎵研究上取得重要進(jìn)展

近日西安郵電大學(xué)由電子工程學(xué)院管理的新型半導(dǎo)體器件與材料重點實驗室陳海峰教授團(tuán)隊成功在8吋硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片。

這一成果標(biāo)志著西安郵電大學(xué)在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進(jìn)展。

近兩年來，我國在氧化鎵的制備上連續(xù)取得突破性進(jìn)展。

今年2月28日，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達(dá)到國際最高水平。

中國電科46所氧化鎵團(tuán)隊從大尺寸氧化鎵熱場設(shè)計出發(fā)，成功構(gòu)建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長的熱場結(jié)構(gòu)，突破了6英寸氧化鎵單晶生長技術(shù)，可用于6英寸氧化鎵單晶襯底片的研制，將有力支撐我國氧化鎵材料實用化進(jìn)程和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2月27日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校微電子學(xué)院龍世兵教授課題組聯(lián)合中科院蘇州納米所加工平臺，分別采用氧氣氛圍退火和氮離子注入技術(shù)，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應(yīng)晶體管。相關(guān)研究成果日前分別在線發(fā)表于《應(yīng)用物理通信》《IEEE電子設(shè)備通信》上。

國內(nèi)氧化鎵產(chǎn)業(yè)化初期有望突圍

目前，國內(nèi)對于氧化鎵半導(dǎo)體十分看重，早在2018年，我國已啟動了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內(nèi)的超寬禁帶半導(dǎo)體材料的探索和研究。

2022年，科技部將氧化鎵列入[十四五]重點研發(fā)計劃。

國內(nèi)氧化鎵材料研究單位還有中電科46所、上海光機(jī)所等等，還有數(shù)十家高校院所積極展開氧化鎵項目的研發(fā)工作，積累了豐富的技術(shù)成果。

隨著市場需求持續(xù)旺盛，這些科研成果有望逐步落地。由于全球氧化鎵產(chǎn)業(yè)均在產(chǎn)業(yè)化的前期，這或許可以幫助國產(chǎn)半導(dǎo)體在全球半導(dǎo)體競爭中實現(xiàn)[突圍]。

正是因為重視程度的提高、研發(fā)力度的加大，近年來，我國在氧化鎵的制備上連續(xù)取得突破性進(jìn)展，從去年的2英寸到6英寸，再到最新的8英寸，氧化鎵制備技術(shù)正愈發(fā)走向成熟。

它是制造大功率半導(dǎo)體主要材料，能使半導(dǎo)體耐受更高電壓及溫度，因此在智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。

可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，氧化鎵在以下方面將會得到長遠(yuǎn)發(fā)展：功率電子、襯底材料、透明導(dǎo)電氧化物薄膜、日盲紫外光探測器及氣體傳感器等。

日本和美國已開始該領(lǐng)域研究

在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發(fā)全球領(lǐng)先。

據(jù)日本媒體2020年9月報道，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）正準(zhǔn)備為致力于開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料「氧化鎵」的私營企業(yè)和大學(xué)提供財政支持。

METI 將為 2021 年留出大約 2030 萬美元的資金，預(yù)計未來5年的投資額將超過 8560 萬美元。

美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊探索了 GaO 材料的特性。

結(jié)果顯示，GaO 材料的速度和高臨界場強(qiáng)在快速功率開關(guān)和射頻功率應(yīng)用中具有顛覆性的潛力。

在這個成果的激勵下，Jessen 建立了美國的 GaO 研究基礎(chǔ)，獲得了首批樣品。

日本的新興企業(yè)就表示積極推進(jìn)配備在純電動汽車上的功率半導(dǎo)體使用新一代晶圓，也就是氧化鎵晶圓，公司的目標(biāo)就是2025年每年生產(chǎn)2萬枚100毫米晶圓。

以電子產(chǎn)業(yè)為支柱的中國臺灣也沒閑著，力積電正在開發(fā)出第四代氧化物半導(dǎo)體材料（氧化銦鎵鋅）的制程技術(shù)，有望運(yùn)用在AR/VR產(chǎn)品上，并在明年能夠小量試產(chǎn)。

近年來，我國在氧化鎵的制備上連續(xù)取得突破性進(jìn)展，從去年的2英寸到6英寸，再到最新的8英寸，氧化鎵制備技術(shù)越來越成熟。

結(jié)尾：

中國科學(xué)院院士郝躍更是在接受采訪時明確指出：氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一。

在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。

部分資料參考：財聯(lián)社：《第四代半導(dǎo)體再突破 已成為國際科技戰(zhàn)略必爭高地》，壹零社：《國產(chǎn)替代的機(jī)會！強(qiáng)勢崛起的第四代半導(dǎo)體》

作者 | 方文三