跨越时代 —— 第四代半导体潜力无限

来源:半导体材料及器件

二战以来，半导体的发展极大的推动了科技的进步，当前半导体领域是中美竞争的核心领域之一。以硅基为核心的第一代半导体，国外遥遥领先；而今，第四代半导体产业化即将落地，能否弯道超车拭目以待。
摘要
第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）材料为代表，第二代半导体材料砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，第三代半导体材料指宽禁带半导体材料，是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表。芯片对运算、功耗、环境的极限需求，对半导体材料的性能提出新的挑战，第四代半导体——超宽禁带半导体：以氮化铝 (AIN)、氧化镓(Ga2O3)、金刚石（Diamond）为代表开始走向市场。虽然第四代半导体当下仍面临成本、大面积制备等诸多挑战，但随着技术的进步，第四代半导体在5G通讯，人工智能、汽车电子、云计算等诸多领域应用前景广阔，也为投资带来了的新的机遇。
01半导体发展历史
芯片是现代工业的明珠，芯片的核心在于半导体材料和工艺。

被誉为世界上第四大发明的半导体，其重要性不言而喻。生活中的手机、电视、电脑、汽车等电子产品、设备都与半导体无不相关。而半导体产业的基础是半导体材料，随着半导体产业的发展,半导体材料也在逐渐发生变化,已经从第一代半导体材料过渡到第四代半导体材料。
第一代半导体材料是指硅（Si）和锗（Ge）等元素的半导体材料。在1990年以前，以硅材料为主的第一代半导体材料由于自然界储存量较大、芯片制造工艺成熟等因素占据绝对的统治地位。由第一代半导体材料制成的晶体管取代了体积大、成本高、寿命短、制造繁琐、结构脆弱的电子管，推动了集成电路的飞快成长，重点被应用于低电压、低频、中功率器件。至2021年，全球以硅作为主要材料制造的半导体芯片和器件超过95%。第一代半导体材料奠定了计算机、网络和自动化技术发展的基础。
第二代半导体材料的主要是指兴起于20世纪70年代的以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的化合物半导体材料。相比于第一代半导体材料硅，砷化镓在电子迁移率方面展现出了极高的优点，并具有较宽的带隙，可以满足高频和高速的工作环境，是制造高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。由于信息高速公路和互联网的迅速发展，卫星通讯、现代移动通信、光通信、GPS导航等行业也普遍地使用第二代半导体材料。虽然第二代半导体材料相较于第一代半导体材料有了较大的进步，但第二代半导体材料也有着严重的短板，其禁带宽度、击穿电场强度在高温、高功率等较为极端环境中并不能满足工作运行的条件。其次，第二代半导体的原材料不仅资源稀缺，价格昂贵，而且具有毒性，对环境和人体都不够友好，应用受到一定的局限。
第三代半导体材料通常是指禁带宽度大于2.3eV或等于2.3eV的半导体材料，也被称为宽禁带半导体材料或高温半导体材料，是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）等为代表的化合物半导体材料。其具有宽的禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、耐腐蚀以及抗辐射等优点，更适用于高温、高频等极端环境，被广泛应用于高电压、高功率等领域。碳化硅的显著优点是碳化硅器件在高温下具有很好的可靠性，适用于电力电子功率器件等领域。氮化镓的优势在高频领域，适合应用于通信基站、消费电子等场合。除此之外，氮化镓作为一种结构相当稳定、类似纤锌矿的化合物，又是高熔点并且坚硬的材料，因此适用于极端环境。氧化锌是在熔点、成本等方面表现出极大应用前景的化合物半导体材料。氧化锌研究的重要方向是压电器件和压电光电子器件应用。
然而，基于第三代半导体的各类电子器件正在接近其可实现性能的理论极限。为了应对未来更加苛刻的电学、光学应用场景所带来的全新挑战，学术界与产业界正在围绕超宽禁带半导体（UWBG）开展前沿技术研究。其中，代表性的超宽禁带半导体包括氮化铝 (AIN)、氧化镓(Ga2O3)、金刚石（Diamond）等，这些材料也被国内产业界称为“第四代半导体”。第四代半导体具有卓越的理化特性，包括远超第三代半导体的带隙、超高的击穿电场、优秀的热稳定性和化学惰性等,在特高压功率转换、射频信号处理、深紫外光电子学、极端环境(辐射、高温)器件技术等多个领域均展现了突出的优势与应用潜力。得益于技术迭代，第四代半导体材料市场关注度日渐提升，全球布局企业数量不断增加。在国际市场上，随着研究不断深入，第四代半导体材料研究已取得一定成果，但总体来看，目前第四代半导体材料仍处于产业化初期，规模化生产和应用仍需技术的进步和成本的下降。

02第四代半导体材料的优势
第四代半导体与传统半导体（Si、GaN）的物理特性相比第一至三代半导体，第四代半导体最直观的优势体现在超宽的带隙（Eg）与大击穿场强（Eb）上，因而能够承受更高电压与功率所带来的挑战。并且，诸如巴利加优值（BFOM）、约翰逊优值（TFOM）等衡量功率电子、射频电子器件综合性能的指标多以线性甚至高次非线性的方式随Eg单调递增，因此第四代半导体呈现出了压倒性的优势。具体而言，BFOM原则上正比于Eb3，其值越大表明对应低频功率器件的承载功率越大、导通损耗越小，这意味着第四代半导体非常适合制造大功率电力电子器件。与此同时，JFOM与击穿场强基本成正比，该参数越大表明射频功放器件的截止频率与功率输出越高，这也说明第四代半导体更加适合于制造高性能射频电子器件。
正因如此,近年来基于第四代半导体制造的功率电子与射频电子器件已如“雨后春笋”般涌现出来。其中代表性的包括AIN绝缘栅双极晶体管（IGBT）、AIN金属半导体场效应晶体管（MESFET）、β-Ga2O3肖特基二极管（SBD）、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、β-(A11-xGax)O3/Ga2O3高电子迁移率晶体管（HEMT）、金刚石SBD、金刚石MESFET等器件。以上这些器件已逐步在军用雷达、射频通信、电动车充电桩、特高压输变电等技术领域展现了广泛的应用前景。

03第四代半导体面临的挑战
不同种类的第四代半导体因材料结构和制备工艺差别较大，其挑战各异。
Ga2O3的挑战：导热性差和无优异的P型性能Ga2O3的致命弱点是其导热性不好，甚至可以说特别糟糕。氧化傢的热导率仅为金刚石的六十分之一，是SiC的十分之一，是硅的五分之一。在实际应用过程中，如在进行电流放大或功率切换的器件中，导热性差是其极其显著的缺陷。低导热率意味着晶体管中产生的热量很可能会留在那里，并有可能极大地限制器件的寿命。
另一个更根本的问题是，氧化稼只能传导电子而不是空穴。没有人能用Ga2O3制成性能优异的p型半导体。而且，令人沮丧的是，该材料的基本电子特性没有太大希望。特别是，材料带结构的价带部分的空穴传导形状不正确。因此，即使存在某种掺杂剂导致受体处于正确的能级，所产生的任何空穴也有望在能有助于传导之前自陷。当理论和数据如此一致时，很难说有办法解决这个缺点。
金刚石：尺寸和成本是关键晶圆尺寸越大，可生产的芯片就越多，金刚石也是同样道理，只有大尺寸晶圆才能引领商业化的未来。但就目前来说，金刚石大尺寸衬底材料缺乏，且普遍采用的异质外延衬底、衬底拼接等方法得到的大尺寸外延材料内部缺陷过多，以CVD掺氮金刚石为例，目前尺寸为6mm x 7mm的金刚石单晶薄片位错密度可低至400cm-2，但4~8英寸的金刚石异质外延晶圆位错密度接近107cm-2。
金刚石半导体成本仍然高昂。与硅相比，碳化硅（SiC）的价格是硅的30-40倍，氮化镓（GaN）的价格是硅的650-1300倍，而用于半导体研究的合成金刚石材料价格几乎是硅的10000倍。如果以这种价格来看，即使它能够有效提高芯片的功效，TCO（总拥有成本）也会被高材料成本所淹没。
对于金刚石半导体而言，性能上没有明显短板，大尺寸和低成本制备是关键。
AIN：工艺和成本当前，AIN单晶衬底的制造工艺尚不成熟，晶格缺陷密集、晶圆尺寸较小，制造成本居高不下。
AIN半导体材料经过近20年的发展,取得了长足的进步,但目前仍面临巨大挑战,如在长晶迭代优化过程中,需要不断攻克诸如热场优化、原料纯度控制、高质量籽晶制备、初始成核生长、寄生成核、应力控制、缺陷抑制与极性控制等一系列关键科学和技术问题。AIN单晶目前最大尺寸仅为60mm，目前国内外有能力生长出2英寸AIN单晶的单位非常有限。与目前较为成熟的SiC、GaN衬底材料相比，AIN单晶生长及其衬底加工具有更高的技术难度和成本。尽管众多研发机构在PVT法制备AIN单晶方面做出了长期不懈努力,但过去几十年的研究进展显明AIN体单晶尺寸平均仅以2.5mm/y左右的速度在增加,近几年还有放慢的节奏。这或许与下游器件研究严重滞后有关，没有器件的需求和反馈，材料不知发力的方向，更没有终端市场的驱动牵引效应。因此，AIN单晶的制备无论从生长机理的认识上，还是长晶工艺技术的突破上，以及材料-器件-应用的协同上都面临着许多机遇和挑战。
04第四代半导体：禁止对华出口，仍需自主可控
在第四代半导体领域，我国与世界顶尖水平仍存在一定差距。以AIN为例，十余年来任意尺寸的AIN单晶衬底直位列对华禁运名单中。因为生产工艺难度大，目前国外有能力生产出2英寸及以上高质量AlN单晶晶圆的机构屈指可数，代表性的有美国的HexaTech、Crystal IS等公司，这些公司基本垄断了AIN高端产品线。不过近几年，国内的奥趋光电、中电科46所、松山湖实验室、北京大学等企业与科研机构也先后攻克了该材料的生产工艺难题并达到了世界先进水平，但是其成熟度和稳定性有待进一步提升。与此同时，单晶氧化镓、金刚石也已于2022年8月被美国商务部列入出口管制名单，禁止对我国出口。这些迹象均表明，以第四代半导体为标志的新一轮科技竞赛已悄然打响。
05第四代半导体应用展望
5G通信5G通讯是第四代半导体技术最为广泛应用的领域之一。由于5G网络需要具备更高的速度、更低的延迟和更大的带宽，因此需要采用更高效、更稳定的半导体材料和器件。目前，碳化硅和氮化镓等第四代半导体材料已经成为5G通信的关键技术之一，可以有效提高5G网络的传输速度和信号质量。
人工智能人工智能是另一个极具应用前景的领域，需要极高的计算能力和能耗控制。由于第四代半导体技术具有低功耗、高计算能力等特点，因此可以满足人工智能领域对半导体技术的高要求，从而推动人工智能技术的发展和应用。
汽车电子汽车电子随着汽车电子化程度的不断提高，对半导体技术的要求也越来越高。第四代半导体技术可以提供更高效、更可靠的汽车电子解决方案，从而满足了汽车行业对半导体技术的诸多需求。
云计算云计算是一个快速发展的领域，需要大量的服务器和数据中心等设备。由于这些设备需要大量的能源和空间，因此需要采用低功耗、高效率的半导体材料和器件。第四代半导体技术可以提供更高效的计算解决方案，从而为云计算行业带来更多的机遇和挑战。

总之，第四代半导体具有远超第三代半导体的带隙、超高的击穿电场、优秀的热稳定性和化学惰性等特性，随着工艺的成熟和成本的降低，市场潜力巨大。

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审核编辑 黄宇