于3月9日凌晨召开的苹果春季发布会带来了M1 Ultra,它可以定义为M1系列的最后一款芯片,也是当前系列性能最强的M1芯片。半导体芯片的发展离不开材料的支持,半导体材料的变化也经历了好几代的更新。

 

我们常说经济基础决定上层建筑,这不仅可以用于现实的经济生活,在电子世界,这里“经济基础”正在经历着一轮革新——第四代半导体来了!而这将对整个电子行业带来怎样的影响呢?

 

如果把影响人类文明发展的物质材料列一个座次,那么半导体材料一定能够名列前茅。半导体是指具有特定导电性质材料的总称,在其半个多世纪的发展中,家族在不断壮大。

 

半导体材料的演化史

 

第一代半导体材料主要是指锗(Ge)和硅(Si)。上世纪50年代,锗基半导体器件占据主导地位,随后,凭借着更加优良的性能和储量上的绝对优势,我们熟悉的硅站到了半导体材料的C位并延续至今。目前,硅片依然在全球占据着超过95%的半导体器件市场和超过99%的集成电路市场。

 

进入20世纪90年代,为了满足信息技术的发展需求,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚,并在卫星通讯、移动通讯、光纤通信、无线区域网络领域得到应用。

 

随着21世纪的现代工业对高功率、高电压、高频率电子器件的需求激增,凭借着高击穿电场、禁带宽度、高热导率等方面的特性,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,成为了对抗高温、高频、高辐射的新型解决方案。

 

接下来第四代半导体材料要登场了,目前主要包括了以氧化镓(Ga2O3)、氮化铝(AlN)为代表的超宽禁带(UWBG)半导体材料,以及以锑化物(GaSb、InSb)为代表的超窄禁带(UNBG)半导体材料。

 

值得说明的是,半导体新一代较上一代并不是替换的关系,各代半导体材料间不同的材料特性往往决定了其不同的应用场景,因此用哪种材料还需“对症下药”。接下来就让我们了解下作为第四代半导体材料代表的氧化镓有什么特别之处。

 

四代“代表”氧化镓

 

氧化镓是金属镓的氧化物,同时也是一种半导体化合物,它拥有约4.5-4.9eV的禁带宽度,相较GaN的3.4eV和SiC的3.3eV都高出许多。对于半导体材料而言,禁带宽度直接决定了其抗压和抗高温方面的性能,因此超宽禁带特性也使它能承受更高的崩溃电压和临界电场。目前大部分研究和开发也是针对禁带宽度在4.7eV至4.9eV之间的氧化镓进行的。

 

一种材料能否走出实验室进行大面积的应用,成本往往是最重要的一项因素。之前的硅替代锗就是一个很好的例子,而氧化镓吸引产业关注的一个重要因素也是由于它的成本较低。氧化镓成本较低源于氧化镓晶体的生长可以借助一种从溶液状态转化成块状单结晶状态的技术,利用这种方法做出氧化镓晶圆可以大幅度降低生产成本。从同样基于6英寸衬底的最终器件成本构成来看,基于氧化镓材料的器件成本为195美金,仅为SiC材料的五分之一。

 

当然,氧化镓也没法做到面面俱到,比如在散热方面,氧化镓热导率为0.25W/cm.K,相较于SiC等高功率材料较差,这意味着晶体管中产生的热量难以发散,限制了器件的寿命。再者,氧化镓本征为N型半导体材料,对于氧化物而言,解决P型半导体的掺杂问题相对会比较困难。虽然目前氧化镓被看作是一个比氮化镓更有前景的技术路线,但是在得到大规模的应用之前,仍存在诸如上述一些问题有待克服。

 

氧化镓有何“用武之地”

 

凭借着比第三代半导体材料更宽的禁带以及深紫外光电特性,关于氧化镓的研究和应用已经在紫外探测、高频功率器件等领域徐徐展开,诸如电动车、电力系统、风力发电机的涡轮等都是该材料的应用场景。在光感与气体传感器领域,也可以利用氧化镓的透明薄膜作为透明面板上的组件。再加上其热稳定性以及人工晶体衬底可以低成本合成,未来氧化镓在小型化、高效、性价比优良的超大功率晶体管的开发上也拥有巨大的潜力。

 

(图片源于:半导体行业观察)

 

在对以氧化镓为代表的第四代半导体材料的研究和开发上,各国也早已开始了行动。

 

2020年,日本经济产业省(METI)计划以未来5年超过8,560万美元的资金为开发新一代低能耗半导体材料“氧化镓”的私营企业和大学提供支持,METI也希望帮助本国公司在今后十年能够以基于氧化镓的半导体材料应用于数据中心、家用电器和汽车。其中,FLOSFIA公司利用“喷雾干燥法”(MistDry)从液态直接获得氧化镓衬底,这种方法不需要高温、超洁净的环境,在降低制造氧化镓成本上又实现了突破。

 

在2018年,美国纽约州立大学布法罗分校制造了一个由5微米厚的由氧化镓制成的MOSFET,击穿电压为1,850V,将被用于制造更小、更高效的电子系统。2020年该团队正在研发一款薄如纸张的基于氧化镓的晶体管,且能够承受8,000V以上的电压。

 

中国在氧化镓的研究方面也有多年的积累,2018年,中国电科46所经过多年的技术探索,成功制备出国内第一片高质量的4英寸氧化镓单晶。此外,欧洲等国也在全力追赶这方面的研究,一场以氧化镓为主题的竞赛正在全球各地进行着。

 

发展第四代半导体产业已成为势在必行的共识,随着“经济基础”的更新迭代,上层更加丰富多彩的应用也离我们越来越近。