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第四代半导体材料有哪些?有什么优势?四代半导体材料的进化之路

浏览次数:465次 发布日期:2022-10-19

第四代半导体是指以氧化镓(Ga2O3)和锑化物等为代表的半导体材料,相比其他半导体材料,第四代半导体材料拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势,可以在苛刻的环境条件下能够更好地运用在光电器件、电力电子器件中。

其中,锑化物半导体在开发下一代的小体积、轻重量、低功耗、低成本器件,及其要求极为苛刻的应用方面就具有着不可替代的独特优势。新体系中的锑化物半导体当之无愧占据了第四代半导体的核心地位。

四代半导体的进化之路

第一代半导体材料:以硅(Si)、锗(Ge)为代表

1990年之前,作为第一代的半导体材料(以硅材料为主)占绝对的统治地位。目前,半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的,硅器件构成了全球销售的所有半导体产品的95%以上。

第一代半导体应用场景十分广泛,从尖端的CPUGPU、存储芯片,再到各种充电器中的功率器件都可以做。虽然在某些领域的性能方面表现不佳,但还有性价比助其占据市场。

第二代半导体材料:以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP)为代表

随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角,并显示出其巨大的优越性。

砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件,同时砷化镓高速器件也加速了光纤及移动通信新产业的发展。主要应用领域为光电子、微电子、微波功率器件等。

第三代半导体材料:以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表

第三代半导体材料的兴起,是以氮化镓材料P型掺杂的突破为起点,以高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志的,它具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件,是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”。

在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景,有望突破传统半导体技术的瓶颈,与第一代、第二代半导体技术互补,对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。

第四代半导体材料:以氧化镓(Ga2O3)为代表

作为新型的宽禁带半导体材料,氧化镓(Ga2O3)由于自身的优异性能,凭借其比第三代半导体材料SiCGaN更宽的禁带,在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究。

氧化镓是一种宽禁带半导体,禁带宽度Eg=4.9eV,其导电性能和发光特性良好,因此,其在光电子器件方面有广阔的应用前景,被用作于Ga基半导体材料的绝缘层,以及紫外线滤光片。

然而,需要注意的是,这四代半导体之间并不是迭代关系,它们的应用场景有交叉,但不完全重合。

第四代半导体的发展背景

随着量子信息、人工智能等高新技术的发展,半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。虽然前三代半导体技术持续发展,但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题,特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。

此背景下,人们将目光开始转向拥有小体积、低功耗等优势的第四代半导体。第四代半导体具有优异的物理化学特性、良好的导电性以及发光性能,在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。

目前具有发展潜力成为第四代半导体技术的主要材料体系主要包括:窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体;超宽带隙的氧化物材料;其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。

第四代半导体的优越性

Ga2O3的结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种。其中,β相最稳定。β-Ga2O3的禁带宽度为4.84.9 eV,击穿场强高达8 MV/cm。巴利加优值是低损失性能指标,β-Ga2O3的巴利加优值高达3400,大约是SiC10倍、GaN4倍。因此,在制造相同耐压的单极功率器件时,元件的导通电阻比SiCGaN低得多,极大降低器件的导通损耗。

此外,可以利用区熔法(Fz)、直拉法(Cz)、边缘定义的薄膜馈电生长(EFG)等熔融法来生长大尺寸、高质量的β-Ga2O3本征单晶衬底材料,可以从大块单晶中得到Ga2O3晶片。相比较SiCGaN生长技术,更容易获得高质量、低成本的单晶材料。

第四代半导体领域的研究仍在推进

1.中国

我国第四代半导体相关的企业和项目也正在陆续落地中。

2017年,北京镓族科技有限公司(以下简称“镓族科技”)正式成立。作为国内首家、国际第二家专业从事第四代(超宽禁带)半导体氧化镓材料开发及应用产业化的高科技公司,镓族科技致力于研发和生产基于新型超宽禁带半导体材料氧化镓的高质量单晶与外延衬底、高灵敏度日盲紫外探测器件、高频大功率器件。

山西烁科晶体有限公司已实现了5G芯片衬底材料碳化硅的国产自主供应,目前,也正积极布局第四代半导体材料。去年十月,中科院半导体研究所、上海技术物理研究所等研究机构率先突破了锑化镓基砷化铟/锑化镓超晶格焦平面技术,性能基本保持与国际同步的发展水平。

中科院半导体所研制的锑化镓衬底实现了2-3英寸直径衬底的量产,最大尺寸达到4英寸;同时,实现了2-3英寸直径、500-1000/年的锑化物多功能低维材料外延晶圆的开发,研发了4英寸分子束外延技术。经测试,晶体具有很好的结晶质量,将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

除中国外,日美等国也积极进行第四代半导体产业的布局。

2.日本

据日本媒体20209月报道,日本经济产业省正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持。日本经济产业省将为2021年留出大约2030万美元的资金,预计未来5年的投资额将超过8560万美元。日本经济产业省认为,日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和汽车供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料,每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

3.美国

据外媒报道,20204月,美国纽约州立大学布法罗分校(the University at Buffalo)正在研发一款基于氧化镓的晶体管,能够承受8000V以上的电压,而且只有一张纸那么薄。

该团队在2018年制造了一个由5微米厚(一张纸厚约100微米)的氧化镓制成的MOSFET,击穿电压为1,850 V。该产品将用于制造更小、更高效的电子系统,应用在电动汽车、机车和飞机上。

结语

第四代半导体因其优越的性能,可在众多领域广泛应用,也成为国际社会科技竞争的要点之一。发展第四代半导体产业已势在必行,如何抓住机遇占领高地,也是我们应该思考的问题。