十大变革科技 | 第四代半导体材料：新一轮科技竞赛

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下文是上榜科技——“第四代半导体材料”的前沿技术解读

随着电子信息技术的不断发展，半导体材料也经历了数次迭代。当前，以GaN、SiC为代表的第三代半导体已成为世界各国的“必争之地”，被广泛应用于制造各类电子与光电器件。然而近年来，6G通信、电动车超级快充、特高压输变电、大规模储能等新应用场景不断涌现，第三代半导体的理化特性已无法胜任更高的性能要求，因此以氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga2O3）、金刚石（Diamond）、氮化硼（BN）为代表的第四代超宽禁带半导体材料也开始受到广泛关注。第四代半导体具有更为卓越的理化性质，尤其是远超第三代半导体的带隙，在功率电子、射频电子、深紫外光电器件等领域具有广阔的应用潜力。

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从第一代半导体到第四代半导体

自1947年晶体管发明以来，每一次半导体材料的革新都会为世界带来一轮大规模产业升级，从第一代半导体（Si、Ge），到第二代半导体（GaAs、InP），再到近年来广受关注的第三代宽禁带半导体（GaN、SiC）。在过去的二十年中，第三代半导体的设计与生产技术已经成熟,在射频电子、电力电子和LED等领域的应用已成功大规模商业化。

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）和氮化硼（BN），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。

图1 第一代到第四代典型半导体材料的性能提升

(图源：Advanced Electronic Materials)

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典型第四代半导体材料的物理特性

表1横向对比了典型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。

不过除了上述特性，第四代半导体在载流子迁移率、饱和电子速度、相对介电常数、热导率等其他方面的物理性质则没有特别的优势。综合考虑当前的主流应用场景与生产成本，第四代半导体短期内仍无法取代第三代半导体。

表1 典型半导体材料的物理特性对比

(图源：Progress in Quantum Electronics & Oxford Open Materials Science)

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第四代半导体的应用及当前的问题

如前所述，第四代半导体的BFOM、TFOM等综合性能指标相比第一至三代半导体均呈现出压倒性优势。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应用于军用雷达、射频通信、电动车充电桩、特高压输变电等技术领域。

此外，半导体材料的吸收与发射光谱特征峰对应的波长反比于Eg。由于第四代半导体的带隙Eg大于3.4 eV，因此用这些材料制成的光电器件可以在比365 nm（GaN紫外LED波长）短得多的深紫外波段下工作。这些器件有许多特殊用途，特别是在UVC波段(200-280 nm)工作的光电器件，在日盲探测器、紫外激光器和LED、DUV光刻与微纳加工、医疗诊断与消毒等领域具有相当大的应用潜力。其中，在AIN生长过程中还可以引入Ga离子，通过调控Al:Ga原子比例，即可制成AlGaN合金材料。随着Ga浓度的改变，该材料的带隙在 3.4-6.0 eV 间可调，这导致其光谱能够覆盖大部分紫外光区，从而可以根据实际应用需求调控器件的光电特性。正是因为这一灵活可调的光电特性，AlGaN成为了日盲探测器的首选材料。

图2   一种典型β-Ga2O3MOSFET功率器件

（图源：Science）

图3    氧化钾薄膜与SiC高导热衬底的异质集成

（图源：ACS Applied Materials & Interfaces）

除了以上共性应用，这几种第四代半导体还各自具有独特优势，正所谓“八仙过海,各显神通”。其中AIN是压电特性最优异的材料之一，非常适合于制造5G手机的射频前端芯片，已广泛应用于iPhone等手机中。金刚石作为自然界中热导率最高的材料，已被用作各类高功率器件的高导热衬底。而β-Ga2O3的生产工艺简便，其单晶生产成本甚至远低于GaN等第三代半导体，因此也是目前落地应用最广泛的第四代半导体。

尽管如此，当前各类第四代半导体也存在诸多局限性。其中，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。金刚石则硬度过高，很难与现有半导体加工工艺兼容，并且单晶衬底的生产成本极高，远不能达到大规模产业化的程度。而β-Ga2O3则是自身热导率过低，并且在应力作用下容易沿特定晶面发生解理，这严重制约了其在高功率场景下的器件可靠性与寿命。为了改善氧化镓器件的散热性能以提升其可靠性，一种可行的解决方案是采用异质集成技术来制备β-Ga2O3薄膜与SiC等高导热衬底的异质结，从而显著降低氧化镓器件热阻。主流的异质集成技术有两种，分别为异质外延生长与低温键合。

04

第四代半导体领域的“卡脖子”问题

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。

当前我国也愈发重视第四代半导体产业的布局,相关规划已陆续上马。在“十四五”发展规划中，氮化铝、氧化镓、金刚石、氮化硼等材料的制备技术均已列入国家重点研发计划，获得了国家层面更多的重视与支持。突破该领域的“卡脖子”问题志在必得。

图4    我国生产的 3 英寸单晶 AIN 晶锭

（图源：奥趋光电）

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总结与展望

“材料、能源、信息”是人类社会的三大支柱，而半导体无疑已成为这三大支柱共同的“基石”。正因如此，半导体材料的每次更新迭代都会带动一次产业升级，并从根本上变革人类社会的发展面貌。当前，半导体已发展至第四代超宽禁带半导体，代表性的材料包括氮化铝、氧化镓、金刚石、氮化硼等。这些材料在信息与能源技术领域具有极为广阔的应用前景,也因此受到了世界各国的重视，并在全球范围内引发了新一轮科技竞赛。我国在“十四五”发展规划中已将第四代半导体技术列入重点研发计划，在国家的大力推动与支持下，国内的企业与科研机构已在该领域取得了突破性进展，并总体达到了世界先进水平。相信在不久的将来，中国可以彻底突破半导体领域的“卡脖子”困境，打破欧美日韩在该领域的垄断地位，成为世界半导体产业版图的重要一极。

图5   第四代半导体的典型应用场景

（图源：Progree in Quantum Electronics）

作者信息

杨光，本文作者，清华大学航院2018级博士毕业生，研究方向为半导体及其异质结的声子输运特性。

参考文献：

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作者 | 杨光

排版 | 何佳音

审核 | 陈星安 程泽堃 刘轩 田博文