第四代半導(dǎo)體，初露鋒芒

作者：米樂

今年，鎵、鍺相關(guān)物出口管制觸發(fā)多股漲停，第四代半導(dǎo)體發(fā)展初露鋒芒。

公開資料顯示，鎵和鍺都是新興的戰(zhàn)略關(guān)鍵礦產(chǎn)，均已被列入國(guó)家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)名錄中。兩種 金屬礦產(chǎn)無(wú)論是在儲(chǔ)量還是在出口上，中國(guó)均在全球占據(jù)領(lǐng)先地位。2022 年我國(guó)鎵產(chǎn)品的出口數(shù)量大幅增長(zhǎng)。海關(guān)總署數(shù)據(jù)表明，2022 年 1 至 11 月，我國(guó)累計(jì)出口鎵產(chǎn)品 89.35 噸，比 2021 年 同期增加 44.1%。

日前，新能源汽車需求的旺盛帶動(dòng)了國(guó)產(chǎn)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展。眼下，碳化硅功率器件正面 臨供不應(yīng)求的境況。瞅準(zhǔn)未來(lái)兩三年短缺的“窗口期”，國(guó)內(nèi)碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)駛?cè)肓税l(fā)展快車 道。而同作為第三代半導(dǎo)體的氮化鎵（GaN）因其禁帶寬度達(dá)到 3.4eV，更寬的禁帶寬度、更高 的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更優(yōu)的抗輻照能力，使得其在功率器件、射 頻器件、光電器件領(lǐng)域有望超過(guò)碳化硅實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能。

美國(guó)軍方甚至依靠氮化鎵的特性來(lái)有效傳輸開發(fā)中的最先進(jìn)雷達(dá)的功率。氮化鎵還被用于 RTX 正在制造的愛國(guó)者(Patriot)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的替代品。

在第三代半導(dǎo)體發(fā)展方興未艾之際，第四代半導(dǎo)體材料的研制也獲得了突破性進(jìn)展。

?01、第四代半導(dǎo)體之爭(zhēng)

第四代半導(dǎo)體，這一概念雖尚未被大眾所 熟知，但卻已在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界引起了廣泛的關(guān) 注和熱議。與前三代半導(dǎo)體相比，第四代半導(dǎo)體不僅在材料種類上實(shí)現(xiàn)突破，更在性能上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，以獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，為解決當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)面臨的諸多挑戰(zhàn)提供全新的思路和解決方案。

8月12日，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布公告，稱出于國(guó)家安全考慮，將四項(xiàng)“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”納入新的出口管制。這四項(xiàng)技術(shù)分別是：能承受高溫高電壓的第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石；專門用于3nm及以下芯片設(shè)計(jì)的ECAD軟件；可用于火箭和高超音速系統(tǒng)的壓力增益燃燒技術(shù)。

除了美國(guó)，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)很早就為致力于開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營(yíng)企業(yè)和大學(xué)提供財(cái)政支持，其在2021年留出大約2030萬(wàn)美元的扶持資金，并預(yù)計(jì)未來(lái)5年的投資額將超過(guò)8560萬(wàn)美元。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)認(rèn)為，日本公司將能夠在本世紀(jì)20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應(yīng)基于氧化鎵的半導(dǎo)體。

一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬(wàn)噸二氧化碳的排放。中國(guó)科學(xué)院院士郝躍曾表示，氧化鎵材料是最有可能在未來(lái)大放異彩的材料之一，在未來(lái) 10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競(jìng)爭(zhēng)力的電力電子器件，會(huì)直接與碳化硅器件競(jìng)爭(zhēng)。它到底有怎樣的發(fā)展前景呢？

?02、第四代半導(dǎo)體的核心優(yōu)勢(shì)

第四代半導(dǎo)體包括超寬禁帶半導(dǎo)體和超窄禁帶半導(dǎo)體，前者包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁，后者如銻化鎵、銻化銦等。從一定時(shí)期內(nèi)的技術(shù)發(fā)展成熟度來(lái)看，氧化鎵（Ga2O3）是最可能在未來(lái)幾年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到工廠的第四代半導(dǎo)體材料。

我國(guó)部分產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)為，作為第四代半導(dǎo)體材料中最可能快速解決產(chǎn)業(yè)化技術(shù)瓶頸的氧化鎵，有望在未來(lái)10年內(nèi)完全替代碳化硅和氮化鎵市場(chǎng)，并成為我們?cè)谛酒雽?dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比碳化硅、氮化鎵和氧化鎵的理論物理性能，能夠發(fā)現(xiàn)，氧化鎵與第三代半導(dǎo)體不再是“相對(duì)優(yōu)勢(shì)”的互補(bǔ)關(guān)系，而是有望憑借“超寬帶隙（4.2-4.9eV）”、“超高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（8MV/cm）”和“超強(qiáng)透明導(dǎo)電性”等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)替代碳化硅和氮化鎵。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，且在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積。氧化鎵比碳化硅和氮化鎵的禁帶寬度要大很多，在同等技術(shù)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟度的條件下，氧化鎵器件更耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照、低成本。從成本角度來(lái)看，當(dāng)前生產(chǎn)氧化鎵的成本的60%來(lái)自于生產(chǎn)過(guò)程中所需的稀有金屬銥坩堝。

應(yīng)用領(lǐng)域

第四代半導(dǎo)體以其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用前景，正逐步引領(lǐng)科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

? 電子與通信

在電子通信領(lǐng)域，第四代半導(dǎo)體以其卓越的性能和能效比優(yōu)勢(shì)，成為推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的重要力量。超寬禁帶半導(dǎo)體(如金剛石和氧化鎵)在高頻通信、衛(wèi)星通信等高速電子應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。第四代半導(dǎo)體可顯著提升電子器件的傳輸速度和信號(hào)處理能力，為構(gòu)建更加高效、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)保障。同時(shí)，超窄禁帶半導(dǎo)體如銻化物在光電探測(cè)和紅外傳感方面的應(yīng)用，也為光通信、光纖傳感等領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

? 新能源

新能源領(lǐng)域是第四代半導(dǎo)體應(yīng)用的另一大重要方向。隨著全球?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%AF%E5%86%8D%E7%94%9F%E8%83%BD%E6%BA%90/">可再生能源需求的不斷增長(zhǎng)，電力電子器件和能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展成為了關(guān)鍵。第四代半導(dǎo)體以其高能效比和耐高溫特性，在電力電子轉(zhuǎn)換器、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域占有重要地位。第四代半導(dǎo)體可大幅度提升能源轉(zhuǎn)換效率，降低能源損失，有望促成可再生能源的全面應(yīng)用。此外，基于第四代半導(dǎo)體的新型太陽(yáng)能電池和光電催化材料也在不斷探索中，有望為太陽(yáng)能利用和氫能生產(chǎn)等領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。

? 智能穿戴與柔性電子

隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，智能設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品的市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)?；诙S材料的柔性電子器件為智能手環(huán)、智能手表、可植入醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)品引入更加舒適、便捷的使用體驗(yàn)。同時(shí)，這些材料還具備優(yōu)異的生物相容性和傳感性能，為醫(yī)療監(jiān)測(cè)、健康管理等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

?03、半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化落地

我國(guó)科技部于2022年將氧化鎵列入“十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”，如果說(shuō)我國(guó)在第一二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展上和世界領(lǐng)先水平存在這明顯的差距，那第四代半導(dǎo)體材料“國(guó)產(chǎn)化”我們勢(shì)在必得。

今年2月，中國(guó)電科46所正式宣布，成功制備出我國(guó)首顆6英寸氧化鎵單晶，達(dá)到國(guó)際最高水平，將有力支撐我國(guó)氧化鎵材料實(shí)用化進(jìn)程和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。另外西安郵電大學(xué)宣布在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域取得了突破，成功在8英寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片，這標(biāo)志著在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進(jìn)展。

10月30日，深圳平湖實(shí)驗(yàn)室發(fā)布在氧化鎵理論研究方面取得重要進(jìn)展：采用銠固溶方式理論成功開發(fā)出新型β相銠鎵氧三元寬禁帶半導(dǎo)體。據(jù)了解，這一成果主要針對(duì)解決氧化鎵價(jià)帶能級(jí)低和p-型摻雜困難等問(wèn)題。此外，該成果“Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors”已在《Advanced Electronic Materials》期刊上發(fā)表并受邀提供期刊封面設(shè)計(jì)。該文章也被收錄到《Progress and Frontiers in Ultrawide bandgap Semiconductors》專題。文章第一作者為查顯弧博士，通訊作者為張道華院士，共同作者包括萬(wàn)玉喜主任和李爽副教授。企業(yè)方面，很多國(guó)內(nèi)廠商也在第四代半導(dǎo)體上早早布局。例如華芯晶電。

2021年在已有的磷化銦、碳化硅等第二代、第三代半導(dǎo)體化合物業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，華芯晶電啟動(dòng)了第四代半導(dǎo)體化合物氧化鎵單晶襯底的研發(fā)。圍繞高質(zhì)量、低缺陷、高加工精度、高透過(guò)率等方面，華芯晶電進(jìn)行了深入研究，在氧化鎵晶體生長(zhǎng)、晶體低密度缺陷控制、高效元素?fù)诫s等方面進(jìn)行了攻關(guān)，目前 2 英寸氧化鎵晶體生長(zhǎng)良率、低密度缺陷控制均達(dá)到國(guó)際水平。

10月29日，杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司宣布在氧化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展：成功利用自主研發(fā)的第二代鑄造法技術(shù)生長(zhǎng)出超厚6英寸氧化鎵單晶，晶錠厚度可達(dá)20mm以上。據(jù)了解，在同等直徑下單晶晶錠厚度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，是導(dǎo)模法（EFG）晶錠厚度的2-3倍。同時(shí)，結(jié)合鎵仁半導(dǎo)體的超薄襯底加工技術(shù)，單個(gè)晶錠出片量可以達(dá)到原有的3-4倍，單片成本較原來(lái)可降低70%以上。

此外，提高氧化鎵單晶晶錠厚度，更有利于制備各種晶向以及斜切角度的大尺寸襯底（6英寸4度斜切需要約12mm厚晶錠）滿足下游不同外延和器件環(huán)節(jié)的特殊需求。10月29日，杭州富加鎵業(yè)科技有限公司宣布，旗下氧化鎵外延片完成MOSFET橫向功率器件驗(yàn)證。

據(jù)了解，富加鎵業(yè)利用分子束外延技術(shù)（MBE）研制了高性能的氧化鎵外延片產(chǎn)品，采用非故意摻雜層與Sn摻雜層復(fù)合的雙層外延結(jié)構(gòu)，襯底材料為半絕緣型（010）Fe摻雜氧化鎵，主要應(yīng)用于橫向功率器件。常規(guī)產(chǎn)品摻雜層載流子濃度為1-4E17cm-3，遷移率＞80 cm2/V·s，表面粗糙度＜2 nm。制備了擊穿電壓大于2000 V、電流密度為60 mA/mm的MOSFET橫向功率器件，與進(jìn)口同類型外延片制備器件性能相當(dāng)。