芯耀
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作者：米樂
今年，鎵、鍺相關物出口管制觸發(fā)多股漲停，第四代半導體發(fā)展初露鋒芒。
公開資料顯示，鎵和鍺都是新興的戰(zhàn)略關鍵礦產(chǎn)，均已被列入國家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)名錄中。兩種 金屬礦產(chǎn)無論是在儲量還是在出口上，中國均在全球占據(jù)領先地位。2022 年我國鎵產(chǎn)品的出口數(shù)量大幅增長。海關總署數(shù)據(jù)表明，2022 年 1 至 11 月，我國累計出口鎵產(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了國產(chǎn)第三代半導體的發(fā)展。眼下，碳化硅功率器件正面 臨供不應求的境況。瞅準未來兩三年短缺的“窗口期”，國內(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體的氮化鎵（GaN）因其禁帶寬度達到 3.4eV，更寬的禁帶寬度、更高 的擊穿電場、更高的熱導率、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、光電器件領域有望超過碳化硅實現(xiàn)更優(yōu)性能。
美國軍方甚至依靠氮化鎵的特性來有效傳輸開發(fā)中的最先進雷達的功率。氮化鎵還被用于 RTX 正在制造的愛國者(Patriot)導彈防御系統(tǒng)的替代品。
在第三代半導體發(fā)展方興未艾之際，第四代半導體材料的研制也獲得了突破性進展。
?01、第四代半導體之爭
第四代半導體，這一概念雖尚未被大眾所 熟知，但卻已在學術界和產(chǎn)業(yè)界引起了廣泛的關 注和熱議。與前三代半導體相比，第四代半導體不僅在材料種類上實現(xiàn)突破，更在性能上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，以獨特的物理和化學性質(zhì)，為解決當前半導體技術面臨的諸多挑戰(zhàn)提供全新的思路和解決方案。
8月12日，美國商務部工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布公告，稱出于國家安全考慮，將四項“新興和基礎技術”納入新的出口管制。這四項技術分別是：能承受高溫高電壓的第四代半導體材料氧化鎵和金剛石；專門用于3nm及以下芯片設計的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。
除了美國，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)很早就為致力于開發(fā)新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學提供財政支持，其在2021年留出大約2030萬美元的扶持資金，并預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應基于氧化鎵的半導體。
一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。中國科學院院士郝躍曾表示，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 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。它到底有怎樣的發(fā)展前景呢？
?02、第四代半導體的核心優(yōu)勢
第四代半導體包括超寬禁帶半導體和超窄禁帶半導體，前者包括氧化鎵、金剛石、氮化鋁，后者如銻化鎵、銻化銦等。從一定時期內(nèi)的技術發(fā)展成熟度來看，氧化鎵（Ga2O3）是最可能在未來幾年內(nèi)，實現(xiàn)從實驗室到工廠的第四代半導體材料。
我國部分產(chǎn)業(yè)機構(gòu)認為，作為第四代半導體材料中最可能快速解決產(chǎn)業(yè)化技術瓶頸的氧化鎵，有望在未來10年內(nèi)完全替代碳化硅和氮化鎵市場，并成為我們在芯片半導體領域的優(yōu)勢。
對比碳化硅、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體不再是“相對優(yōu)勢”的互補關系，而是有望憑借“超寬帶隙（4.2-4.9eV）”、“超高臨界擊穿場強（8MV/cm）”和“超強透明導電性”等優(yōu)勢，在未來替代碳化硅和氮化鎵。
簡單來說，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，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，在同等技術產(chǎn)業(yè)化技術成熟度的條件下，氧化鎵器件更耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照、低成本。從成本角度來看，當前生產(chǎn)氧化鎵的成本的60%來自于生產(chǎn)過程中所需的稀有金屬銥坩堝。
應用領域
第四代半導體以其獨特的性能和廣泛的應用前景，正逐步引領科技進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
? 電子與通信
在電子通信領域，第四代半導體以其卓越的性能和能效比優(yōu)勢，成為推動行業(yè)進步的重要力量。超寬禁帶半導體(如金剛石和氧化鎵)在高頻通信、衛(wèi)星通信等高速電子應用中獨具優(yōu)勢。第四代半導體可顯著提升電子器件的傳輸速度和信號處理能力，為構(gòu)建更加高效、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡提供技術保障。同時，超窄禁帶半導體如銻化物在光電探測和紅外傳感方面的應用，也為光通信、光纖傳感等領域帶來新的發(fā)展機遇。
? 新能源
新能源領域是第四代半導體應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，電力電子器件和能源存儲系統(tǒng)的發(fā)展成為了關鍵。第四代半導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)、電動汽車等領域占有重要地位。第四代半導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用。此外，基于第四代半導體的新型太陽能電池和光電催化材料也在不斷探索中，有望為太陽能利用和氫能生產(chǎn)等領域帶來新的突破。
? 智能穿戴與柔性電子
隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴技術的快速發(fā)展，智能設備和柔性電子產(chǎn)品的市場需求日益增長。基于二維材料的柔性電子器件為智能手環(huán)、智能手表、可植入醫(yī)療設備等產(chǎn)品引入更加舒適、便捷的使用體驗。同時，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、健康管理等領域的創(chuàng)新應用奠定了基礎。
?03、半導體材料國產(chǎn)化落地
我國科技部于2022年將氧化鎵列入“十四五重點研發(fā)計劃”，如果說我國在第一二代半導體材料的發(fā)展上和世界領先水平存在這明顯的差距，那第四代半導體材料“國產(chǎn)化”我們勢在必得。
今年2月，中國電科46所正式宣布，成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平，將有力支撐我國氧化鎵材料實用化進程和相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展。另外西安郵電大學宣布在半導體材料領域取得了突破，成功在8英寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片，這標志著在超寬禁帶半導體研究上取得重要進展。
10月30日，深圳平湖實驗室發(fā)布在氧化鎵理論研究方面取得重要進展：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體。據(jù)了解，這一成果主要針對解決氧化鎵價帶能級低和p-型摻雜困難等問題。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計。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，共同作者包括萬玉喜主任和李爽副教授。企業(yè)方面，很多國內(nèi)廠商也在第四代半導體上早早布局。例如華芯晶電。
2021年在已有的磷化銦、碳化硅等第二代、第三代半導體化合物業(yè)務的基礎上，華芯晶電啟動了第四代半導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、高透過率等方面，華芯晶電進行了深入研究，在氧化鎵晶體生長、晶體低密度缺陷控制、高效元素摻雜等方面進行了攻關，目前 2 英寸氧化鎵晶體生長良率、低密度缺陷控制均達到國際水平。
10月29日，杭州鎵仁半導體有限公司宣布在氧化鎵單晶生長技術方面取得了顯著進展：成功利用自主研發(fā)的第二代鑄造法技術生長出超厚6英寸氧化鎵單晶，晶錠厚度可達20mm以上。據(jù)了解，在同等直徑下單晶晶錠厚度達到國際領先，是導模法（EFG）晶錠厚度的2-3倍。同時，結(jié)合鎵仁半導體的超薄襯底加工技術，單個晶錠出片量可以達到原有的3-4倍，單片成本較原來可降低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橫向功率器件驗證。
據(jù)了解，富加鎵業(yè)利用分子束外延技術（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，與進口同類型外延片制備器件性能相當。
