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“第四代半导体” 迎重大突破!改变行业新技术?

2023-03-21 10:40
Ai芯天下
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前言:

随着信息时代的发展,量子信息、人工智能等高科技领域对于半导体的需求也是有更高要求,体积小、低功耗的第四代半导体将成为主力军。

更为重要的是,目前第四代半导体领域全球国家都还在同一起跑线,因此,我国在第四代半导体的重大突破,有望助力芯片实现弯道超车,从而掀起一场资本盛宴。

作者 | 方文三

图片来源 |  网 络 

第四代半导体的发展背景

随着量子信息、人工智能等高新技术的发展,半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。

虽然前三代半导体技术持续发展,但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题,特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。

此背景下,人们将目光开始转向拥有小体积、低功耗等优势的第四代半导体。

第四代半导体具有优异的物理化学特性、良好的导电性以及发光性能,在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。

目前具有发展潜力成为第四代半导体技术的主要材料体系主要包括:窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体;超宽带隙的氧化物材料等。

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凭借氧化镓的特性天生具备优势

氧化镓是[第四代半导体]的典型代表,凭借其高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特性,成功进入人们的视野。

氧化镓是一种超宽禁带半导体材料,具有优异的耐高压与日盲紫外光响应特性,在功率器件和光电领域应用潜力巨大。

①氧化镓超宽禁带的特性能承受更高的崩溃电压和临界电场,使其在超高功率元件的应用极具潜力。

②氧化镓材料具备更高的击穿电场强度与更低的导通电阻,从而实现能量损耗更低、功率转换效率更高。

③硅上氧化镓异质外延有利于硅电路与氧化镓电路的直接集成,同时拥有成本低和散热好等优势。

④成本优势,相对于目前采用的宽禁带技术,氧化镓凭借高质量与大尺寸的天然寸底,具备着显着的成本优势。

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我国在氧化镓研究上取得重要进展

近日西安邮电大学由电子工程学院管理的新型半导体器件与材料重点实验室陈海峰教授团队成功在8吋硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片。

这一成果标志着西安邮电大学在超宽禁带半导体研究上取得重要进展。

近两年来,我国在氧化镓的制备上连续取得突破性进展。

今年2月28日,中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶,达到国际最高水平。

中国电科46所氧化镓团队从大尺寸氧化镓热场设计出发,成功构建了适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构,突破了6英寸氧化镓单晶生长技术,可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制,将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。

2月27日,中国科学技术大学校微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台,分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术,首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。相关研究成果日前分别在线发表于《应用物理通信》《IEEE电子设备通信》上。

国内氧化镓产业化初期有望突围

目前,国内对于氧化镓半导体十分看重,早在2018年,我国已启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究。

2022年,科技部将氧化镓列入[十四五]重点研发计划。

国内氧化镓材料研究单位还有中电科46所、上海光机所等等,还有数十家高校院所积极展开氧化镓项目的研发工作,积累了丰富的技术成果。

随着市场需求持续旺盛,这些科研成果有望逐步落地。由于全球氧化镓产业均在产业化的前期,这或许可以帮助国产半导体在全球半导体竞争中实现[突围]。

正是因为重视程度的提高、研发力度的加大,近年来,我国在氧化镓的制备上连续取得突破性进展,从去年的2英寸到6英寸,再到最新的8英寸,氧化镓制备技术正愈发走向成熟。

它是制造大功率半导体主要材料,能使半导体耐受更高电压及温度,因此在智能电网、轨道交通等领域有着广阔应用前景。

可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。

从应用领域来看,氧化镓在以下方面将会得到长远发展:功率电子、衬底材料、透明导电氧化物薄膜、日盲紫外光探测器及气体传感器等。

日本和美国已开始该领域研究

在氧化镓方面,日本在衬底-外延-器件等方面的研发全球领先。

据日本媒体2020年9月报道,日本经济产业省(METI)正准备为致力于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财政支持。

METI 将为 2021 年留出大约 2030 万美元的资金,预计未来5年的投资额将超过 8560 万美元。

美国空军研究室在2012年注意到了NICT的成功,研究员Gregg Jessen领导的团队探索了 GaO 材料的特性。

结果显示,GaO 材料的速度和高临界场强在快速功率开关和射频功率应用中具有颠覆性的潜力。

在这个成果的激励下,Jessen 建立了美国的 GaO 研究基础,获得了首批样品。

日本的新兴企业就表示积极推进配备在纯电动汽车上的功率半导体使用新一代晶圆,也就是氧化镓晶圆,公司的目标就是2025年每年生产2万枚100毫米晶圆。

以电子产业为支柱的台湾也没闲着,力积电正在开发出第四代氧化物半导体材料(氧化铟镓锌)的制程技术,有望运用在AR/VR产品上,并在明年能够小量试产。

近年来,我国在氧化镓的制备上连续取得突破性进展,从去年的2英寸到6英寸,再到最新的8英寸,氧化镓制备技术越来越成熟。

结尾:

中国科学院院士郝跃更是在接受采访时明确指出:氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一。

在未来的10年左右,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争。

       原文标题 : AI芯天下丨热点丨“第四代半导体” 迎重大突破!能否改变行业新技术?

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