第四代半导体概念

第四代半导体概念第一、二、三、四代半导体材料各有利弊，在特定的应用场景中存在各自的比较优势，但不可否认的是，中国在第一、二代半导体的发展中，无论是在宏观层面的市场份额、企业占位还是在微观层面的制备工艺、器件制造等方面，中国与世界领先水平之间都存在着明显的差距。国内可能并且走在世界前沿的半导体材料或者能让中国在半导体行业实现弯道超车并以此为契机助力中国经济高质量发展的机会应该是对新型材料的研究与开拓，比如应用场景广泛、波及行业众多、产业占位靠前的在功率、射频等方面可以大放异彩的氧化镓材料；其具备制备成本较低、相对环保、性价比更高、材料属性优势明显、工艺制造精妙但成本相对较低优势等特点。在第三代半导体发展得如火如荼之际，氧化镓、氮化铝、金刚石等第四代半导体材料也开始受到关注。其中，氧化镓(Ga2O3)是被国际普遍关注并认可已开启产业化的第四代半导体材料。氧化镓(Ga2O3)在耐压、电流、功率、损耗等维度都有其优势，此前被用于光电领域的应用，直到2012年开始，业内对它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究单位都在朝着该方向发展。日本在氧化镓研究上是比较超前的。2012年日本报道了第一颗氧化镓功率器件，2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片，此后，基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现。我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，产业化进程刚刚起步，但是进展飞速，今年我国科技部将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，让第四代半导体获得更广泛关注。一个材料产业的发展，需要材料、器件、模组、应用等多个环节形成完整循环。目前，第三代半导体材料已发展出完整的产业链，且向着成本不断降低的方向发展；而氧化镓则仍处于一个研究继续深入，产业化初步开始的阶段。氧化镓想要获得产业发展，需要具备至少3个要素：一是材料成本降低，足以用于产业；二是衬底、外延、器件产业链发展完善；三是，出现示范性应用。此前，氧化镓衬底主要采用导模法（EFG法）进行生产，由于EFG法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长，对生长环境要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。但一方面铱价格昂贵，价格是黄金的三倍，6英寸设备需要几公斤的铱，相当于一大块黄金，仅坩埚造价就超过600万，从大规模生产角度很难扩展设备数量，另一方面，铱只能依赖进口，给供应链带来很大风险。值得关注的是，我国的深圳进化半导体，日本东北大学联合C&A公司都报道了无铱工艺，从关键材料端角度让低成本氧化镓成为可能，也推动整个产业链的发展进程。什么是第四代半导体第四代半导体我们其实叫超禁带半导体，它分两个方向，一是超窄禁带，禁带宽度（指被束缚的价电子产生本征激发所需要的最小能量）在零点几电子伏特（eV），比超窄禁带更窄的材料便称为导体；二是超宽禁带，如禁带宽度在4.9eV的氧化镓，以及更高的金刚石、氮化铝等，当禁带宽度超过6.2eV，基本上就是绝缘体。目前来看，超禁带半导体将会是最后一代半导体，尤其是金刚石很早就被称为“终极半导体”。氧化镓材料可以被用于什么产品？半导体材料的禁带越宽，需要的激活能越大，才能将电子从一个束缚的电子变成自由电子，它对波长比较长的光吸收量很少，氧化镓响应波长250~300nm，因此可以用于探测日盲紫外光，目前这个方向受到科研人员的广泛肯定。不过我们团队还是更熟悉功率应用，光电应用就期待其他团队来努力了。日盲紫外波段的光线无法透过大气层，会被大气层直接吸收。一旦在大气层中探测到这种光线，那么它要么来源于闪电，要么来源于导弹，要么来源于战斗机，可以用该材料当作军用光线探测器。此外，在电站、加油站等场景，故障早期出现电晕放电情况时也会发出这种紫外的光，如果状况继续恶化的，它就开始发热并变成红外的光，相当于可以用氧化镓防患于未然，不过能用做这种探测的材料还蛮多的，比如氮化铝、碳化硅