來源:半導體材料及器件

二戰以來，半導體的發展極大的推動了科技的進步，當前半導體領域是中美競爭的核心領域之一。以硅基為核心的第一代半導體，國外遙遙領先；而今，第四代半導體產業化即將落地，能否彎道超車拭目以待。
摘要
第一代半導體材料以硅（Si）和鍺（Ge）材料為代表，第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表，第三代半導體材料指寬禁帶半導體材料，是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等為代表。芯片對運算、功耗、環境的極限需求，對半導體材料的性能提出新的挑戰，第四代半導體——超寬禁帶半導體：以氮化鋁 (AIN)、氧化鎵(Ga2O3)、金剛石（Diamond）為代表開始走向市場。雖然第四代半導體當下仍面臨成本、大面積制備等諸多挑戰，但隨著技術的進步，第四代半導體在5G通訊，人工智能、汽車電子、云計算等諸多領域應用前景廣闊，也為投資帶來了的新的機遇。
01半導體發展歷史
芯片是現代工業的明珠，芯片的核心在于半導體材料和工藝。

被譽為世界上第四大發明的半導體，其重要性不言而喻。生活中的手機、電視、電腦、汽車等電子產品、設備都與半導體無不相關。而半導體產業的基礎是半導體材料，隨著半導體產業的發展,半導體材料也在逐漸發生變化,已經從第一代半導體材料過渡到第四代半導體材料。
第一代半導體材料是指硅（Si）和鍺（Ge）等元素的半導體材料。在1990年以前，以硅材料為主的第一代半導體材料由于自然界儲存量較大、芯片制造工藝成熟等因素占據絕對的統治地位。由第一代半導體材料制成的晶體管取代了體積大、成本高、壽命短、制造繁瑣、結構脆弱的電子管，推動了集成電路的飛快成長，重點被應用于低電壓、低頻、中功率器件。至2021年，全球以硅作為主要材料制造的半導體芯片和器件超過95%。第一代半導體材料奠定了計算機、網絡和自動化技術發展的基礎。
第二代半導體材料的主要是指興起于20世紀70年代的以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物半導體材料。相比于第一代半導體材料硅，砷化鎵在電子遷移率方面展現出了極高的優點，并具有較寬的帶隙，可以滿足高頻和高速的工作環境，是制造高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。由于信息高速公路和互聯網的迅速發展，衛星通訊、現代移動通信、光通信、GPS導航等行業也普遍地使用第二代半導體材料。雖然第二代半導體材料相較于第一代半導體材料有了較大的進步，但第二代半導體材料也有著嚴重的短板，其禁帶寬度、擊穿電場強度在高溫、高功率等較為極端環境中并不能滿足工作運行的條件。其次，第二代半導體的原材料不僅資源稀缺，價格昂貴，而且具有毒性，對環境和人體都不夠友好，應用受到一定的局限。
第三代半導體材料通常是指禁帶寬度大于2.3eV或等于2.3eV的半導體材料，也被稱為寬禁帶半導體材料或高溫半導體材料，是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）等為代表的化合物半導體材料。其具有寬的禁帶寬度、高電子飽和速率、高擊穿電場、較高熱導率、耐腐蝕以及抗輻射等優點，更適用于高溫、高頻等極端環境，被廣泛應用于高電壓、高功率等領域。碳化硅的顯著優點是碳化硅器件在高溫下具有很好的可靠性，適用于電力電子功率器件等領域。氮化鎵的優勢在高頻領域，適合應用于通信基站、消費電子等場合。除此之外，氮化鎵作為一種結構相當穩定、類似纖鋅礦的化合物，又是高熔點并且堅硬的材料，因此適用于極端環境。氧化鋅是在熔點、成本等方面表現出極大應用前景的化合物半導體材料。氧化鋅研究的重要方向是壓電器件和壓電光電子器件應用。
然而，基于第三代半導體的各類電子器件正在接近其可實現性能的理論極限。為了應對未來更加苛刻的電學、光學應用場景所帶來的全新挑戰，學術界與產業界正在圍繞超寬禁帶半導體（UWBG）開展前沿技術研究。其中，代表性的超寬禁帶半導體包括氮化鋁 (AIN)、氧化鎵(Ga2O3)、金剛石（Diamond）等，這些材料也被國內產業界稱為“第四代半導體”。第四代半導體具有卓越的理化特性，包括遠超第三代半導體的帶隙、超高的擊穿電場、優秀的熱穩定性和化學惰性等,在特高壓功率轉換、射頻信號處理、深紫外光電子學、極端環境(輻射、高溫)器件技術等多個領域均展現了突出的優勢與應用潛力。得益于技術迭代，第四代半導體材料市場關注度日漸提升，全球布局企業數量不斷增加。在國際市場上，隨著研究不斷深入，第四代半導體材料研究已取得一定成果，但總體來看，目前第四代半導體材料仍處于產業化初期，規模化生產和應用仍需技術的進步和成本的下降。

02第四代半導體材料的優勢
第四代半導體與傳統半導體（Si、GaN）的物理特性相比第一至三代半導體，第四代半導體最直觀的優勢體現在超寬的帶隙（Eg）與大擊穿場強（Eb）上，因而能夠承受更高電壓與功率所帶來的挑戰。并且，諸如巴利加優值（BFOM）、約翰遜優值（TFOM）等衡量功率電子、射頻電子器件綜合性能的指標多以線性甚至高次非線性的方式隨Eg單調遞增，因此第四代半導體呈現出了壓倒性的優勢。具體而言，BFOM原則上正比于Eb3，其值越大表明對應低頻功率器件的承載功率越大、導通損耗越小，這意味著第四代半導體非常適合制造大功率電力電子器件。與此同時，JFOM與擊穿場強基本成正比，該參數越大表明射頻功放器件的截止頻率與功率輸出越高，這也說明第四代半導體更加適合于制造高性能射頻電子器件。
正因如此,近年來基于第四代半導體制造的功率電子與射頻電子器件已如“雨后春筍”般涌現出來。其中代表性的包括AIN絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、AIN金屬半導體場效應晶體管（MESFET）、β-Ga2O3肖特基二極管（SBD）、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、β-(A11-xGax)O3/Ga2O3高電子遷移率晶體管（HEMT）、金剛石SBD、金剛石MESFET等器件。以上這些器件已逐步在軍用雷達、射頻通信、電動車充電樁、特高壓輸變電等技術領域展現了廣泛的應用前景。

03第四代半導體面臨的挑戰
不同種類的第四代半導體因材料結構和制備工藝差別較大，其挑戰各異。
Ga2O3的挑戰：導熱性差和無優異的P型性能Ga2O3的致命弱點是其導熱性不好，甚至可以說特別糟糕。氧化傢的熱導率僅為金剛石的六十分之一，是SiC的十分之一，是硅的五分之一。在實際應用過程中，如在進行電流放大或功率切換的器件中，導熱性差是其極其顯著的缺陷。低導熱率意味著晶體管中產生的熱量很可能會留在那里，并有可能極大地限制器件的壽命。
另一個更根本的問題是，氧化稼只能傳導電子而不是空穴。沒有人能用Ga2O3制成性能優異的p型半導體。而且，令人沮喪的是，該材料的基本電子特性沒有太大希望。特別是，材料帶結構的價帶部分的空穴傳導形狀不正確。因此，即使存在某種摻雜劑導致受體處于正確的能級，所產生的任何空穴也有望在能有助于傳導之前自陷。當理論和數據如此一致時，很難說有辦法解決這個缺點。
金剛石：尺寸和成本是關鍵晶圓尺寸越大，可生產的芯片就越多，金剛石也是同樣道理，只有大尺寸晶圓才能引領商業化的未來。但就目前來說，金剛石大尺寸襯底材料缺乏，且普遍采用的異質外延襯底、襯底拼接等方法得到的大尺寸外延材料內部缺陷過多，以CVD摻氮金剛石為例，目前尺寸為6mm x 7mm的金剛石單晶薄片位錯密度可低至400cm-2，但4~8英寸的金剛石異質外延晶圓位錯密度接近107cm-2。
金剛石半導體成本仍然高昂。與硅相比，碳化硅（SiC）的價格是硅的30-40倍，氮化鎵（GaN）的價格是硅的650-1300倍，而用于半導體研究的合成金剛石材料價格幾乎是硅的10000倍。如果以這種價格來看，即使它能夠有效提高芯片的功效，TCO（總擁有成本）也會被高材料成本所淹沒。
對于金剛石半導體而言，性能上沒有明顯短板，大尺寸和低成本制備是關鍵。
AIN：工藝和成本當前，AIN單晶襯底的制造工藝尚不成熟，晶格缺陷密集、晶圓尺寸較小，制造成本居高不下。
AIN半導體材料經過近20年的發展,取得了長足的進步,但目前仍面臨巨大挑戰,如在長晶迭代優化過程中,需要不斷攻克諸如熱場優化、原料純度控制、高質量籽晶制備、初始成核生長、寄生成核、應力控制、缺陷抑制與極性控制等一系列關鍵科學和技術問題。AIN單晶目前最大尺寸僅為60mm，目前國內外有能力生長出2英寸AIN單晶的單位非常有限。與目前較為成熟的SiC、GaN襯底材料相比，AIN單晶生長及其襯底加工具有更高的技術難度和成本。盡管眾多研發機構在PVT法制備AIN單晶方面做出了長期不懈努力,但過去幾十年的研究進展顯明AIN體單晶尺寸平均僅以2.5mm/y左右的速度在增加,近幾年還有放慢的節奏。這或許與下游器件研究嚴重滯后有關，沒有器件的需求和反饋，材料不知發力的方向，更沒有終端市場的驅動牽引效應。因此，AIN單晶的制備無論從生長機理的認識上，還是長晶工藝技術的突破上，以及材料-器件-應用的協同上都面臨著許多機遇和挑戰。
04第四代半導體：禁止對華出口，仍需自主可控
在第四代半導體領域，我國與世界頂尖水平仍存在一定差距。以AIN為例，十余年來任意尺寸的AIN單晶襯底直位列對華禁運名單中。因為生產工藝難度大，目前國外有能力生產出2英寸及以上高質量AlN單晶晶圓的機構屈指可數，代表性的有美國的HexaTech、Crystal IS等公司，這些公司基本壟斷了AIN高端產品線。不過近幾年，國內的奧趨光電、中電科46所、松山湖實驗室、北京大學等企業與科研機構也先后攻克了該材料的生產工藝難題并達到了世界先進水平，但是其成熟度和穩定性有待進一步提升。與此同時，單晶氧化鎵、金剛石也已于2022年8月被美國商務部列入出口管制名單，禁止對我國出口。這些跡象均表明，以第四代半導體為標志的新一輪科技競賽已悄然打響。
05第四代半導體應用展望
5G通信5G通訊是第四代半導體技術最為廣泛應用的領域之一。由于5G網絡需要具備更高的速度、更低的延遲和更大的帶寬，因此需要采用更高效、更穩定的半導體材料和器件。目前，碳化硅和氮化鎵等第四代半導體材料已經成為5G通信的關鍵技術之一，可以有效提高5G網絡的傳輸速度和信號質量。
人工智能人工智能是另一個極具應用前景的領域，需要極高的計算能力和能耗控制。由于第四代半導體技術具有低功耗、高計算能力等特點，因此可以滿足人工智能領域對半導體技術的高要求，從而推動人工智能技術的發展和應用。
汽車電子汽車電子隨著汽車電子化程度的不斷提高，對半導體技術的要求也越來越高。第四代半導體技術可以提供更高效、更可靠的汽車電子解決方案，從而滿足了汽車行業對半導體技術的諸多需求。
云計算云計算是一個快速發展的領域，需要大量的服務器和數據中心等設備。由于這些設備需要大量的能源和空間，因此需要采用低功耗、高效率的半導體材料和器件。第四代半導體技術可以提供更高效的計算解決方案，從而為云計算行業帶來更多的機遇和挑戰。

總之，第四代半導體具有遠超第三代半導體的帶隙、超高的擊穿電場、優秀的熱穩定性和化學惰性等特性，隨著工藝的成熟和成本的降低，市場潛力巨大。

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審核編輯 黃宇