行業(yè)動(dòng)態(tài)
半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代科技的先導(dǎo)和基石。從硅（Si）、鍺（Ge），到砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），再到碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN），材料始終是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的核心要素。如今，以氧化鎵（Ga?O?）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）為代表的新一代半導(dǎo)體材料也開始嶄露頭角，各大企業(yè)加緊布局，單晶生長(zhǎng)、外延薄膜等技術(shù)突破的消息頻頻涌現(xiàn)，產(chǎn)線建設(shè)和產(chǎn)能釋放提上日程。
備受矚目的氧化鎵
半導(dǎo)體代表性材料進(jìn)階圖備受矚目的氧化鎵新一代半導(dǎo)體材料與寬禁帶半導(dǎo)體材料的本質(zhì)區(qū)別就是具有更加優(yōu)異的物理化學(xué)特性，以禁帶寬度為例，新一代半導(dǎo)體材料的帶隙寬度大于3.4eV，遠(yuǎn)高于前幾代材料。這一特性使它們能夠在更短的波長(zhǎng)下工作，尤其是在深紫外（UVC）波段（200nm~280nm）的光電器件應(yīng)用中極具潛力，而氧化鎵就是其中的佼佼者。
“氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，與碳化硅、氮化鎵相比，氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV，高于碳化硅的3.25eV和氮化鎵的3.4eV，確保了其抗輻照和抗高溫能力，可以在高低溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性質(zhì)；而其高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的特性則確保了制備的氧化鎵器件可以在超高電壓下使用，有利于提高載流子收集效率?！北本┛萍即髮W(xué)新材料技術(shù)研究院教授李成明向《中國(guó)電子報(bào)》介紹道。
這些強(qiáng)大的特性使得氧化鎵在功率器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在功率器件應(yīng)用中，氧化鎵能夠承受更高的電壓，減少能量損耗，提高功率轉(zhuǎn)換效率。例如，在智能電網(wǎng)中，使用氧化鎵制成的電力電子器件可以實(shí)現(xiàn)更高效的電能傳輸和分配，降低電網(wǎng)的能耗；在新能源汽車的充電樁和逆變器中，氧化鎵器件有望提高充電速度和車輛的能源利用效率。所以業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代汽車功率半導(dǎo)體材料的代表。
因此，市場(chǎng)對(duì)于氧化鎵的渴望愈發(fā)強(qiáng)烈，日本企業(yè)Novell Crystal Technology（以下簡(jiǎn)稱NCT）預(yù)測(cè)氧化鎵晶圓市場(chǎng)到2030年將擴(kuò)大到約590億日元規(guī)模。市場(chǎng)調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，2030年氧化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1542億日元，比當(dāng)下氮化鎵功率元件的規(guī)模還要大。
中國(guó)科學(xué)院院士郝躍在接受《中國(guó)電子報(bào)》采訪時(shí)明確指出，氧化鎵材料是最有可能在未來(lái)大放異彩的材料之一，在未來(lái)的10年左右時(shí)間，氧化鎵器件會(huì)直接與碳化硅和氮化鎵器件競(jìng)爭(zhēng)。但氧化鎵目前的研發(fā)進(jìn)度還不夠快，仍需不懈努力。
氧化鎵芯片技術(shù)研發(fā)進(jìn)度緩慢的主要原因在于，氧化鎵的制備還需要解決很多技術(shù)難題。大尺寸低缺陷氧化鎵單晶的制備方法以及高表面質(zhì)量氧化鎵晶片的超精密加工技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)氧化鎵半導(dǎo)體器件工業(yè)應(yīng)用的主要瓶頸。氧化鎵的熔點(diǎn)很高，在1740℃左右，并且在高溫下具有易分解、易開裂的特點(diǎn)，這使得大尺寸產(chǎn)品的制備難度極高。傳統(tǒng)的制備工藝，如導(dǎo)模法（EFG法）需要在1800℃左右的高溫、含氧環(huán)境下進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求極為苛刻。該工藝需要使用耐高溫、耐氧且不污染晶體的材料制作坩堝，綜合考慮性能和成本，只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。然而，銥的價(jià)格昂貴，是黃金的三倍左右，6英寸設(shè)備需要幾公斤的銥，僅坩堝造價(jià)就超過(guò)600萬(wàn)，在大規(guī)模生產(chǎn)層面限制了設(shè)備數(shù)量的擴(kuò)展。
雖然有研究報(bào)道了無(wú)銥工藝，為降低氧化鎵制備成本帶來(lái)了希望，但這些新工藝仍處于探索階段，尚未完全成熟，距離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還有一段距離。在實(shí)際生產(chǎn)中，如何優(yōu)化這些新工藝，提高晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，以及降低生產(chǎn)成本，仍是亟待解決的問(wèn)題。
中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員閆建昌向《中國(guó)電子報(bào)》表示：“散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個(gè)弊端，去充分發(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢(shì)，是值得關(guān)注的發(fā)展方向。氧化鎵在器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上還有很大的空間，發(fā)展的基礎(chǔ)取決于材料本身和制備水平，要實(shí)現(xiàn)更低的缺陷密度，把材料的優(yōu)勢(shì)和潛力充分發(fā)掘出來(lái)，是超寬禁帶技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)?！?/span>
因此，氧化鎵研發(fā)周期非常漫長(zhǎng)。于2015年成立的NCT始終致力于氧化鎵晶體研發(fā)，直到2021年6月16日，才在全球首次成功量產(chǎn)以氧化鎵制成的100毫米晶圓，為后續(xù)氧化鎵在功率半導(dǎo)體等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，NCT主導(dǎo)了全球90%的氧化鎵單晶襯底市場(chǎng)，且已實(shí)現(xiàn)6英寸氧化鎵晶圓量產(chǎn)。
而我國(guó)近幾年的研發(fā)進(jìn)度持續(xù)提速，步入全球領(lǐng)先行列。3月5日，鎵仁半導(dǎo)體采用獨(dú)立創(chuàng)新的鑄造法，成功發(fā)布全球首顆氧化鎵8英寸單晶，這一成果標(biāo)志著中國(guó)成為全球首個(gè)掌握8英寸氧化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的國(guó)家，打破了大尺寸氧化鎵單晶“日本主導(dǎo)、中美歐追趕”的格局。據(jù)了解，鎵仁半導(dǎo)體采用的鑄造法，不僅成功實(shí)現(xiàn)了8英寸氧化鎵單晶生長(zhǎng)，還能加工出相應(yīng)尺寸的晶圓襯底，并且可以與現(xiàn)有硅基芯片廠的8英寸生產(chǎn)線兼容，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。
同時(shí)，富加鎵業(yè)宣布其氧化鎵MOCVD同質(zhì)外延技術(shù)取得突破，在氧化鎵單晶襯底上生長(zhǎng)的同質(zhì)外延薄膜厚度首次突破10微米，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品將于同年4月正式上市。2024年9月，其打造的國(guó)內(nèi)首條6英寸氧化鎵單晶及外延片生長(zhǎng)線在杭州富陽(yáng)開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2025年年初投入使用，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)萬(wàn)片生產(chǎn)規(guī)模，進(jìn)一步推動(dòng)氧化鎵材料在市場(chǎng)上的供應(yīng)和應(yīng)用。
除了這兩家企業(yè)，我國(guó)從事氧化鎵材料和器件的企業(yè)還有北京鎵族科技、蘇州鎵和、蘇州鎵耀等，以及一些開始試水的初創(chuàng)公司，共同促進(jìn)我國(guó)在新一代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域提速發(fā)展。
性能之最金剛石
金剛石同樣是一種極具潛力的新一代半導(dǎo)體材料，擁有一系列令人驚嘆的物理特性。
西安電子科技大學(xué)教授張金風(fēng)向《中國(guó)電子報(bào)》指出，金剛石屬于新興的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、耐擊穿、載流子遷移率高、熱導(dǎo)率極高、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)。在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。
具體來(lái)看，金剛石的禁帶寬度高達(dá)5.45eV，是硅的近三倍，這一特性賦予金剛石卓越的穩(wěn)定性和可靠性，使其能夠在高溫、高電壓環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時(shí)，金剛石的熱導(dǎo)率極高，室溫下可達(dá)2200W/(m?K)，是硅的13倍，極大地提高了芯片的散熱效率，從而提升了整個(gè)電子設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。此外，金剛石還具有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，可達(dá)10MV/cm以上，這使其在高功率、高頻率器件的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。這些卓越的性能都是目前已知材料中最高的，讓金剛石成為半導(dǎo)體領(lǐng)域夢(mèng)寐以求的理想材料，可以滿足未來(lái)大功率、強(qiáng)電場(chǎng)和抗輻射等方面的需求。
專家表示，金剛石半導(dǎo)體的應(yīng)用前景極為廣闊，在眾多領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電子信息領(lǐng)域，基于金剛石的高頻、高功率器件可用于5G和6G通信基站，能夠顯著提高信號(hào)傳輸速度和質(zhì)量，降低能耗。在能源領(lǐng)域，金剛石基功率器件可用于高效能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)，如電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)和光伏逆變器，提高能源利用效率。在航空航天領(lǐng)域，金剛石半導(dǎo)體的高穩(wěn)定性和抗輻射性能使其成為航空航天的關(guān)鍵材料，可用于制造高性能雷達(dá)、衛(wèi)星通信設(shè)備等。此外，在醫(yī)療、傳感器等領(lǐng)域，金剛石半導(dǎo)體也具有廣泛的應(yīng)用前景。
然而，目前金剛石半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)難度較高，成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，亟需在制備工藝上取得突破。由于金剛石的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)設(shè)備和工藝要求極高，如何在保證材料質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)高效、低成本的生產(chǎn)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。此外，金剛石與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的兼容性也需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。由于金剛石的物理化學(xué)性質(zhì)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料存在較大差異，如何將其更好地融入現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流程，是金剛石半導(dǎo)體未來(lái)應(yīng)用的關(guān)鍵。
科學(xué)家們很早就開啟了對(duì)金剛石的開發(fā)研究。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家就開發(fā)出利用高溫高壓法（HPHT）生長(zhǎng)小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。
根據(jù)李成明的介紹，近年來(lái)金剛石功率電子學(xué)在材料和器件方面均有新的技術(shù)突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達(dá)20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法，同質(zhì)外延生長(zhǎng)的獨(dú)立單晶薄片具有缺陷密度低的特點(diǎn)，最大尺寸可達(dá)1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術(shù)生長(zhǎng)的金剛石晶圓可達(dá)2英寸。而采用金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓可達(dá)4 英寸。如果是低成本的異質(zhì)外延CVD法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應(yīng)用已很活躍，晶圓已達(dá)8英寸，已可作為導(dǎo)熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。
近年來(lái)，我國(guó)在金剛石方面的研究也取得了一系列突破。全球人造金剛石產(chǎn)能第一的黃河旋風(fēng)，憑借其在高溫高壓法（HPHT）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）的深厚技術(shù)積累，與華為展開深度合作。雙方聯(lián)合開發(fā)熱導(dǎo)率超2000W/m?K的多晶金剛石熱沉片，該產(chǎn)品主要用于5G基站和AI芯片散熱，有效解決了高算力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的散熱難題。同時(shí)，黃河旋風(fēng)還積極布局半導(dǎo)體襯底材料研發(fā)，致力于在金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上占據(jù)更有利的位置。
設(shè)備方面，北方華創(chuàng)作為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備的領(lǐng)軍企業(yè)，積極布局新一代半導(dǎo)體材料設(shè)備研發(fā)，向國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)提供用于金剛石等新一代半導(dǎo)體材料的晶體生長(zhǎng)設(shè)備。晶體生長(zhǎng)設(shè)備是半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化的核心裝備，使科研人員能夠精確控制金剛石晶體的生長(zhǎng)條件，制備出高質(zhì)量的金剛石襯底和外延層，為后續(xù)金剛石半導(dǎo)體器件的制造提供了支持。
蓄勢(shì)待發(fā)的氮化鋁
氮化鋁也是超寬禁帶半導(dǎo)體材料的重要成員，其禁帶寬度高達(dá)6.2eV，能夠在更短的波長(zhǎng)下工作，尤其在深紫外光電器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，氮化鋁擁有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，可達(dá)15.4MV/cm，能夠承受更高的電壓，在高功率、高壓應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。此外，氮化鋁的熱導(dǎo)率極高，達(dá)到340W/(m?K)，在散熱方面優(yōu)勢(shì)顯著，能夠有效解決芯片在高功率運(yùn)行時(shí)的過(guò)熱問(wèn)題，提高電子設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。而且，氮化鋁還具備出色的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，以及良好的紫外透過(guò)率。
氮化鋁的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在電力電子領(lǐng)域，隨著各行業(yè)向電氣化邁進(jìn)，對(duì)高效電力轉(zhuǎn)換與分配系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)?；诘X的器件能夠顯著提升電力轉(zhuǎn)換與分配系統(tǒng)的能源效率。因其超寬帶隙，可實(shí)現(xiàn)耐壓大于10千伏的器件，有助于減小系統(tǒng)尺寸并增強(qiáng)控制能力。例如，在電網(wǎng)級(jí)應(yīng)用中，氮化鋁襯底僅需15μm厚度即可滿足10kV變電站需求，相比傳統(tǒng)材料可減少70%體積。美國(guó)佐治亞理工大學(xué)指出，氮化鋁是下一代柔性智能電網(wǎng)的首選半導(dǎo)體材料。此外，有報(bào)道稱氮化鋁基功率器件在DC-DC/DC-AC轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能耗損失僅是SiC/GaN的八分之一，在新能源汽車800V高壓平臺(tái)下，氮化鋁可使電機(jī)控制器效率提升5%，還能使光伏逆變器的系統(tǒng)損耗降低30%。
在微波射頻領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)5G通信、衛(wèi)星通訊、相控陣?yán)走_(dá)等應(yīng)用所需的頂尖性能，需要解決器件、模組的散熱和高熱邊界問(wèn)題。基于氮化鋁平臺(tái)的器件能在常用的氮化鎵射頻高電子遷移率晶體管（GaN RF HEMT）之間提供低熱邊界電阻，同時(shí)具備高體熱導(dǎo)率，可有效解決射頻器件的熱管理難題。預(yù)計(jì)未來(lái)，使用氮化鋁的5G甚至6G基站的功放效率可突破65%，基站能耗將下降40%，相控陣?yán)走_(dá)的功率密度將提升3倍，探測(cè)距離增加50%。
在航空航天方面，采用氮化鋁材料可以使深地探測(cè)器在300℃地?zé)岘h(huán)境中穩(wěn)定工作超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。氮化鋁還能將空間站電源系統(tǒng)的抗輻射能力提升100倍，壽命延長(zhǎng)至15年。
但氮化鋁同樣在制備高質(zhì)量的大尺寸單晶和降低位錯(cuò)密度方面面臨挑戰(zhàn)。一方面，氮化鋁單晶的生長(zhǎng)難度較大，制備大尺寸、高質(zhì)量的單晶襯底成本較高。另一方面，相關(guān)的器件設(shè)計(jì)和制造工藝也需要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，以充分發(fā)揮氮化鋁的性能優(yōu)勢(shì)。由于氮化鋁與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的物理化學(xué)性質(zhì)存在差異，現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝難以直接應(yīng)用于氮化鋁器件的生產(chǎn)，需要開發(fā)新的工藝和設(shè)備。
在科研領(lǐng)域，氮化鋁不斷取得重要突破。德國(guó)弗勞恩霍夫集成系統(tǒng)與器件技術(shù)研究所（Fraunhofer IISB）的研究人員通過(guò)優(yōu)化晶體生長(zhǎng)工藝，成功制備出低缺陷密度的氮化鋁外延層?；谠撏庋訉又谱鞯牡X肖特基二極管，在測(cè)試中展現(xiàn)出高達(dá)2200伏的擊穿電壓，且在高電流密度下仍能保持較低的導(dǎo)通電阻，其功率密度相較于傳統(tǒng)碳化硅和氮化鎵基功率開關(guān)器件有顯著提升。
美國(guó)Crystal IS（旭化成全資子公司）已相繼開發(fā)出3英寸、4英寸氮化鋁單晶襯底樣片。我國(guó)的奧趨光電技術(shù)（杭州）有限公司也取得了顯著成果，分別成功開發(fā)出3英寸氮化鋁單晶和超高深紫外光透過(guò)率2英寸單晶襯底。
除了最具代表性的三大“猛將”，還有另一類新一代半導(dǎo)體材料名為超窄禁帶半導(dǎo)體材料，以銻化鎵（GaSb）、銻化銦（InSb）等為代表，它們的禁帶寬度在零點(diǎn)幾電子伏特（eV）范圍。這類材料的電子容易被激發(fā)躍遷，遷移率高，主要應(yīng)用于紅外探測(cè)、激光器等領(lǐng)域。在紅外探測(cè)器中，銻化銦憑借其高電子遷移率和對(duì)紅外光的高靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱紅外信號(hào)的快速檢測(cè)和精確成像，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域；銻化鎵則在紅外激光器的制造中發(fā)揮重要作用，可用于光通信、激光雷達(dá)等應(yīng)用場(chǎng)景，為實(shí)現(xiàn)高精度的距離測(cè)量和信息傳輸提供支持。
總體來(lái)看，新一代半導(dǎo)體材料對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展具有不可估量的重要性，有望突破現(xiàn)有半導(dǎo)體材料的性能瓶頸，滿足未來(lái)電子設(shè)備對(duì)高性能、高可靠性、低能耗的需求，推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)向更高層次發(fā)展。但新一代半導(dǎo)體目前的研發(fā)都面臨著制備工藝不成熟、成本居高不下、與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝的兼容性差等關(guān)鍵難題。而且，由于新一代半導(dǎo)體材料是新興領(lǐng)域，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈配套不完善，原材料供應(yīng)、設(shè)備制造、器件封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)都存在不足，制約了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，業(yè)界應(yīng)該更加重視新一代半導(dǎo)體材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)政產(chǎn)學(xué)研用金形成合力，加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
來(lái)源：中國(guó)電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
