第四代半導體材料呼之欲出 —— 氧化鎵或將站上C位

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

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

在第三代半導體萬(wàn)眾矚目的時(shí)刻， 第四代半導體也正逐漸進(jìn)入我們的視線(xiàn) 。

半導體材料的發(fā)展之路

· 第一代的半導體材料：以硅(Si)、鍺(Ge)為代表

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

· 第二代半導體材料：以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表

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

· 第三代半導體材料：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體材料，具備高擊穿電場(chǎng)、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優(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”，在半導體照明、新一代移動(dòng)通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車(chē)、消費類(lèi)電子等領(lǐng)域有廣闊的應用前景，有望突破傳統半導體技術(shù)的瓶頸。

· 第四代半導體材料：以氧化鎵(Ga2O3)為代表

第四代半導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)半導體材料，禁帶寬度超過(guò)4eV，以及以銻化物(GaSb、InSb)為代表的超窄禁帶(UNBG)半導體材料。在應用方面，超寬禁帶材料會(huì )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?xún)?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、激光器等器件的應用。

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

隨著(zhù)量子信息、人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，半導體新體系及其微電子等多功能器件技術(shù)也在更新迭代。雖然前三代半導體技術(shù)持續發(fā)展，但也已經(jīng)逐漸呈現出無(wú)法滿(mǎn)足新需求的問(wèn)題，特別是難以同時(shí)滿(mǎn)足高性能、低成本的要求

相比其他半導體材料，第四代半導體材料擁有體積更小、能耗更低、功能更強等優(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)展潛力成為第四代半導體技術(shù)的主要材料體系主要包括：窄帶隙的銻化鎵、銦化砷化合物半導體；超寬帶隙的氧化物材料；其他各類(lèi)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(lái)越多的關(guān)注和研究。

氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時(shí)也是一種半導體化合物。其結晶形態(tài)截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩定。β-Ga2O3的禁帶寬度為4.8～4.9eV，擊穿場(chǎng)強高達8MV/cm。

半導體材料特性

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

目前第三代半導體的火爆，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(shí)間驗證外，幾乎全面實(shí)現了前面所提到功率器件發(fā)展的所有訴求。而大規模制造和應用會(huì )帶來(lái)成本和售價(jià)的降低，從而繼續鞏固市場(chǎng)主流技術(shù)地位，這也是超/寬禁帶半導體應用的前景。

而Ga2O3既能做高耐壓，也可實(shí)現大電流能力，相較于當前SiC器件過(guò)流能力不超過(guò)200A的規格限制，可達到數百A甚至上千A，性能優(yōu)秀且成本更低，在大功率應用(如電力)當中可直面挑戰IGBT上千甚至數千A的霸主地位。

關(guān)鍵材料(Si/SiC/GaN/GaO)特性對比（IEEE）

相關(guān)統計數據顯示，從數據上看，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%損耗的基礎上，再降低86%的損耗，這讓產(chǎn)業(yè)界人士對其未來(lái)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(gè)數量級，這在芯片加工中可以規避很多問(wèn)題，而且由于是同質(zhì)外延，器件不會(huì )像GaN一樣出現晶格失配問(wèn)題。

而成本更是讓其成為一個(gè)吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的另一個(gè)重要因素。從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構成來(lái)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(wú)幾。

GaO和藍寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉化成塊狀(Bulk)單結晶狀態(tài)。實(shí)際上，通過(guò)運用與藍寶石晶圓生產(chǎn)技術(shù)相同的導模法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(kāi)始銷(xiāo)售作研究開(kāi)發(fā)方向的用途。這種工藝的特點(diǎn)是良品率高、成本低廉、生長(cháng)速度快、生長(cháng)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(lái)成本也將繼續受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對于Ga2O3來(lái)說(shuō)，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(zhù)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(shí)間已經(jīng)追上了SiC和GaN當前最大尺寸，在量產(chǎn)經(jīng)濟性上已經(jīng)達到了標準，同等加工能力的晶圓加工產(chǎn)線(xiàn)可以實(shí)現同等甚至更大規模的產(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(kāi)發(fā)和應用都更有效率。

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