下一代半導體：一路向寬，一路向窄
作者： 張心怡 來源：中國電子報、電子信息產業網
隨著以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體步入產業化階段，對新一代半導體材料的探討已經進入大眾視野。走向產業化的銻化物，以及國內外高度關注的氧化鎵、金剛石、氮化鋁鎵等，都被視為新一代半導體材料的重要方向。從帶隙寬度來看，銻化物屬于窄帶半導體，而氧化鎵、金剛石、氮化鋁屬于超寬禁帶半導體。新一代半導體材料，將一路向寬，還是一路向窄？
超寬禁帶半導體：
“上天入海”，適用范圍廣泛
禁帶的寬度決定了電子躍遷的難度，是半導體的導電性的決定因素之一。禁帶越寬，半導體材料越接近絕緣體，器件穩定性越強，因而超寬禁帶半導體能應用于高溫、高功率、高頻率以及較耐輻照等特殊環境。
“硅器件工作溫度范圍相對有限，而超寬禁帶半導體可謂‘上天下海’，適應范圍非常寬廣。”中國科學院半導體研究所研究員閆建昌向《中國電子報》記者表示。
在光電子領域，超寬禁帶半導體在紫外發光、紫外探測有著廣闊的應用空間。基于氮化鋁鎵等超寬禁帶半導體的紫外發光二極管和紫外激光二極管應用于殺菌消毒等醫療衛生領域，特定波長的紫外線能幫助人體補鈣。在工業上，超寬禁帶可用于制造大功率的紫外光源。
在超寬禁帶半導體中，氮化鋁鎵（氮化鋁和氮化鎵的合金材料）、氧化鎵、金剛石是較有代表性的幾個方向。
與氧化鎵、金剛石等禁帶寬度相對固定的材料不同，氮化鋁鎵的禁帶寬度可以在一定范圍內調節，是一種靈活的半導體材料。
“通過調節鋁的組份，氮化鋁鎵可以實現不同的禁帶寬度，范圍在氮化鎵的3.4 eV到氮化鋁的6 eV之間。通過合適的比例，可以獲得特定的禁帶寬度，發射相應波長的紫外線，這是一個有趣也有用的屬性。”閆建昌表示。
在制備技術方面，氮化鋁鎵已經具備了一定的積累。
“氮化鎵和氮化鋁外延制備的主流方法是MOCVD（金屬有機物化學氣相沉積），在工藝、設備等產業環節已經有了二三十年的積累。氮化鋁鎵作為氮化鎵、氮化鋁的合金材料，在外延制備上與兩者有很多相通之處，產業化已經開始起步，預計在接下來的3—5年，會具備規模化量產的水準。”閆建昌向記者指出。
氧化鎵相比寬禁帶半導體具有更高的能量轉換效率。目前，氧化鎵材料制備水平進展較快，但是外延、器件方面還有很多工作要做。
“氧化鎵的禁帶寬度比氮化鎵、碳化硅等更寬，功率可以做得更高，也更加省電。氧化鎵的制備條件比較苛刻，目前外延材料以2-3寸的小尺寸為主，量產和應用還有一段路要走。” 西安電子科技大學郭輝副教授向《中國電子報》記者表示。
閆建昌指出，散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個弊端的話，去充分發揮它在功率器件的優勢，是值得關注的發展方向。
金剛石被視為“終極半導體”材料，具有超寬禁帶、高導熱系數、高硬度的特點。但也由于硬度最高，實現半導體級別的高純凈度也最為困難，與產品化、產業化還有相當的距離。
“金剛石難以實現半導體級別的制備和摻雜，但我們可以利用類金剛石或者金剛石顆粒去改善半導體器件的散熱，把金剛石自身的優勢和長處先發揮出來。”閆建昌說。
窄禁帶半導體：
繼續拓展光譜范圍，集中應用在紅外光
與超寬禁帶半導體相反，銻化物等窄禁帶半導體具有高遷移率、導電性強的特點，應用領域也集中在紅外線，與超寬禁帶應用的紫外線正好分布在光譜兩端。可以說，超寬禁帶和窄禁帶半導體拓展了人類對光譜的利用范圍。
在光電子領域，銻化物材料體系有希望成為未來紅外成像系統的主要材料體系。據中科院半導體研究所教授牛智川介紹，傳統紅外光電材料由于均勻性不足、基片面積小、良率極低等瓶頸，難以實現大陣列、雙色、多色焦平面以及甚遠紅外焦平面的制造。
“銻化物在具有高性能的前提下，帶隙調控適用范圍更廣、成本更低、制造規模更大，銻化鎵基半導體外延材料技術已經成長為紅外光電器件制造的主流。”牛智川向《中國電子報》記者表示。
在微電子領域，銻化物半導體具有超過前三代半導體體系的超高速遷移率，在發展超低功耗超高速微電子集成電路器件方面潛力重大。
在熱電器件領域，含銻元素的各類晶體材料具有優良的熱電和制冷效應，是長期以來熱電制冷器件領域的重要技術方向，具有廣闊的應用前景。
在制備方面，銻化物窄帶隙半導體與砷化鎵、磷化銦等III-V族體系的結構特性、制備工藝類似或兼容，因此不存在量產技術的障礙，其制備成本主要受單晶襯底晶圓面積、外延材料量產容量、工藝集成技術良率的制約。
“隨著功能器件需求放大，基于銻化物的激光器和探測器制造已經在量產方面獲得了充分的驗證，在光電子功能的各類應用領域制造規模逐步擴大，已經具備量產條件。”牛智川指出。
下一代半導體：
越走越“寬”還是越“窄”？
新一代半導體材料是產業變革的基石。從以硅為代表的第一代半導體材料，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料，以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體材料，半導體器件的工作范圍和適用場景不斷拓展，為信息社會的發展提供有力支撐。
那么，真正具有技術前景的新一代半導體材料，應該具備哪些要素？
牛智川表示，評估半導體材料的發展前景時，應注重兩個指標。
一是能否發展出高可控性的量產制備技術，這是判斷新體系材料是否具有長期發展前景的必要前提。在面向實際應用發展的初期階段，必須評估規模化生產平臺的可行性，包括大型制造設備等，并通過小試和中試工程化考驗，檢驗產品良率和器件性能的穩定性。
其次是技術迭代鏈條是否完善，這是市場化成敗的必要考量。半導體技術迭代鏈條包括所有技術環節所需的相關支撐條件是否具備可靠來源，市場周期的波動率，用戶對產品需求性價比，以及對比競品材料的優劣等。
在具備產業化前景的基礎上，該如何發揮材料自身的性質，使之轉化為產業發展的動力并釋放市場價值？
閆建昌表示，每一種材料都有自身的優勢和局限性，要充分發揮或者挖掘其有利因素，以揚長避短。曾經業界認為氮化鎵材料缺陷密度太高，不可能用來發光，但氮化鎵的一些特殊機制能夠繞開缺陷密度的問題，并基于自身的硬度和化學穩定性等優勢彌補純凈度的不足，贏得了發展空間。
“無論氮化鋁鎵、氧化鎵還是金剛石，在器件和產業發展上還有很大的空間。發展的基礎取決于材料本身和材料制備水平，要實現更低的缺陷密度，把材料的優勢和潛力充分發掘出來，這是未來超寬禁帶技術和產業發展的基礎。”閆建昌說。
郭輝表示，新材料的上量有一個過程，要考慮綜合效益，找尋市場地位。
“在微電子領域，超寬禁帶半導體主要用于功率半導體，既要考慮材料本身的制備成本和功率器件本身的成本，也要考慮器件用在系統內的成本。通過綜合效益尋找市場空間，形成市場競爭力。”郭輝說。
牛智川表示，要在扎實做好實驗室技術開發研究基礎上，深入理解材料物性優化的基本技術方法、路徑，全方位建立基礎物理化學性質數據，形成從設計到器件功能實現的最佳迭代模式。在此基礎上，建設中試平臺，集中考驗實現高良率工程化制造的技術流程、方案和規范。后續增加用戶定制要求，逐步完善器件的特定功能的量產制造技術、提高迭代效率，與市場深度融合。
