第四代半導(dǎo)體材料呼之欲出 —— 氧化鎵或?qū)⒄旧螩位

一般來說，半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料，是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)。迄今為止，半導(dǎo)體材料主要分為：基于Ⅳ族硅Si、鍺Ge元素的第一代半導(dǎo)體；基于Ⅲ-Ⅴ族砷化鎵、磷化銦的第二代半導(dǎo)體以及基于Ⅲ-Ⅴ族氮化鎵、Ⅳ族碳化硅的第三代半導(dǎo)體等。

過去一年里，我們看到隨著市場對半導(dǎo)體性能的要求不斷提高，及各種利好政策相繼出臺，第三代半導(dǎo)體等新型化合物材料憑借其性能優(yōu)勢嶄露頭角，迎來了產(chǎn)業(yè)爆發(fā)風(fēng)口。

在第三代半導(dǎo)體萬眾矚目的時刻， 第四代半導(dǎo)體也正逐漸進(jìn)入我們的視線 。

半導(dǎo)體材料的發(fā)展之路

· 第一代的半導(dǎo)體材料：以硅(Si)、鍺(Ge)為代表

在半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史上，1990年代之前，作為第一代的半導(dǎo)體材料以硅材料為主占絕對的統(tǒng)治地位。目前，半導(dǎo)體器件和集成電路仍然主要是用硅晶體材料制造的，硅器件構(gòu)成了全球銷售的所有半導(dǎo)體產(chǎn)品的95％以上。硅半導(dǎo)體材料及其集成電路的發(fā)展導(dǎo)致了微型計算機(jī)的出現(xiàn)和整個信息產(chǎn)業(yè)的飛躍。

· 第二代半導(dǎo)體材料：以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表

隨著以光通信為基礎(chǔ)的信息高速公路的崛起和社會信息化的發(fā)展，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料嶄露頭角，并顯示其巨大的優(yōu)越性。砷化鎵和磷化銦半導(dǎo)體激光器成為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，同時砷化鎵高速器件也加速了光纖及移動通信新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。主要應(yīng)用領(lǐng)域為光電子、微電子、微波功率器件等。

· 第三代半導(dǎo)體材料：以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表

以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具備高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率及抗強(qiáng)輻射能力等優(yōu)異性能，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸。

· 第四代半導(dǎo)體材料：以氧化鎵(Ga2O3)為代表

第四代半導(dǎo)體材料主要是以金剛石(C)、氧化鎵(GaO)、氮化鋁(AlN)為代表的超寬禁帶(UWBG)半導(dǎo)體材料，禁帶寬度超過4eV，以及以銻化物(GaSb、InSb)為代表的超窄禁帶(UNBG)半導(dǎo)體材料。在應(yīng)用方面，超寬禁帶材料會與第三代材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的特性優(yōu)勢；而超窄禁帶材料，由于易激發(fā)、遷移率高，主要用于探測器、激光器等器件的應(yīng)用。

然而，需要注意的是，這四代半導(dǎo)體之間并不是迭代關(guān)系，它們的應(yīng)用場景有交叉，但不完全重合。

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

相比其他半導(dǎo)體材料，第四代半導(dǎo)體材料擁有體積更小、能耗更低、功能更強(qiáng)等優(yōu)勢，可以在苛刻的環(huán)境條件下能夠更好地運用在光電器件、電力電子器件中。

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；其他各類低維材料如碳基納米材料、二維原子晶體材料等。

氧化鎵材料的特性

作為新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，氧化鎵(Ga2O3)由于自身的優(yōu)異性能，憑借其比第三代半導(dǎo)體材料SiC和GaN更寬的禁帶，在紫外探測、高頻功率器件等領(lǐng)域吸引了越來越多的關(guān)注和研究。

氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導(dǎo)體化合物。其結(jié)晶形態(tài)截至目前已確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩(wěn)定。β-Ga2O3的禁帶寬度為4.8～4.9eV，擊穿場強(qiáng)高達(dá)8MV/cm。

半導(dǎo)體材料特性

氧化鎵在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景，被用作于Ga基半導(dǎo)體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，而其在未來的功率、特別是大功率應(yīng)用場景才是更值得期待的。

目前第三代半導(dǎo)體的火爆，就是因為新的材料體系可以在高壓、大功率情況下采用單極器件，即使用SiC MOSFET、GaN HEMT、Ga2O3 FET，取代硅基的IGBT，除了產(chǎn)品可靠性、電流能力、成本下降空間尚需要一定時間驗證外，幾乎全面實現(xiàn)了前面所提到功率器件發(fā)展的所有訴求。而大規(guī)模制造和應(yīng)用會帶來成本和售價的降低，從而繼續(xù)鞏固市場主流技術(shù)地位，這也是超/寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的前景。

而Ga2O3既能做高耐壓，也可實現(xiàn)大電流能力，相較于當(dāng)前SiC器件過流能力不超過200A的規(guī)格限制，可達(dá)到數(shù)百A甚至上千A，性能優(yōu)秀且成本更低，在大功率應(yīng)用(如電力)當(dāng)中可直面挑戰(zhàn)IGBT上千甚至數(shù)千A的霸主地位。

關(guān)鍵材料(Si/SiC/GaN/GaO)特性對比（IEEE）

相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從數(shù)據(jù)上看，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，即在SiC比Si已經(jīng)降低86%損耗的基礎(chǔ)上，再降低86%的損耗，這讓產(chǎn)業(yè)界人士對其未來有很高的期待。

此外，GaO材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3個數(shù)量級，這在芯片加工中可以規(guī)避很多問題，而且由于是同質(zhì)外延，器件不會像GaN一樣出現(xiàn)晶格失配問題。

而成本更是讓其成為一個吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的另一個重要因素。從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于GaO材料的器件成本為195美金，是SiC材料器件成本的約五分之一，已與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。

GaO和藍(lán)寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀(Bulk)單結(jié)晶狀態(tài)。實際上，通過運用與藍(lán)寶石晶圓生產(chǎn)技術(shù)相同的導(dǎo)模法EFG(Edge-defined Film-fed Growth)，日本NCT已試做出最大直徑為6英寸(150mm)的晶圓，直徑為2英寸(50mm)的晶圓已經(jīng)開始銷售作研究開發(fā)方向的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低廉、生長速度快、生長晶體尺寸大。

另一家Flosfia使用的“霧化法”已制作出4英寸(100mm)的α相晶圓，成本已接近于硅。而碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)材料目前只能使用“氣相法”進(jìn)行制備，未來成本也將繼續(xù)受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對于Ga2O3來說，高質(zhì)量與大尺寸的天然襯底，相對于目前采用的寬禁帶SiC與GaN技術(shù)，將具備獨特且顯著的成本優(yōu)勢。

GaO與SiC成本對比（EE POWER）

Ga2O3材料尺寸發(fā)展快速，短短幾年時間已經(jīng)追上了SiC和GaN當(dāng)前最大尺寸，在量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性上已經(jīng)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，同等加工能力的晶圓加工產(chǎn)線可以實現(xiàn)同等甚至更大規(guī)模的產(chǎn)量。而且，Ga2O3成本極低，這就可以讓器件研發(fā)成本更低、可以有充分的試錯空間，使開發(fā)和應(yīng)用都更有效率。

如此看來，GaO很有可能在尺寸方面，即大規(guī)模制造的可能性和成本方面對上述造成后來者居上的威脅。