下一代半导体:一路向宽,一路向窄

来源:中国电子报 电子信息产业网

随着以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体步入产业化阶段,对新一代半导体材料的探讨已经进入大众视野。走向产业化的锑化物,以及国内外高度关注的氧化镓、金刚石、氮化铝镓等,都被视为新一代半导体材料的重要方向。从带隙宽度来看,锑化物属于窄带半导体,而氧化镓、金刚石、氮化铝属于超宽禁带半导体。新一代半导体材料,将一路向宽,还是一路向窄? 

超宽禁带半导体: 

“上天入海”,适用范围广泛   

禁带的宽度决定了电子跃迁的难度,是半导体的导电性的决定因素之一。禁带越宽,半导体材料越接近绝缘体,器件稳定性越强,因而超宽禁带半导体能应用于高温、高功率、高频率以及较耐辐照等特殊环境。

“硅器件工作温度范围相对有限,而超宽禁带半导体可谓‘上天下海’,适应范围非常宽广。”中国科学院半导体研究所研究员闫建昌向《中国电子报》记者表示。

在光电子领域,超宽禁带半导体在紫外发光、紫外探测有着广阔的应用空间。基于氮化铝镓等超宽禁带半导体的紫外发光二极管和紫外激光二极管应用于杀菌消毒等医疗卫生领域,特定波长的紫外线能帮助人体补钙。在工业上,超宽禁带可用于制造大功率的紫外光源。

在超宽禁带半导体中,氮化铝镓(氮化铝和氮化镓的合金材料)、氧化镓、金刚石是较有代表性的几个方向。

与氧化镓、金刚石等禁带宽度相对固定的材料不同,氮化铝镓的禁带宽度可以在一定范围内调节,是一种灵活的半导体材料。

“通过调节铝的组份,氮化铝镓可以实现不同的禁带宽度,范围在氮化镓的3.4 eV到氮化铝的6 eV之间。通过合适的比例,可以获得特定的禁带宽度,发射相应波长的紫外线,这是一个有趣也有用的属性。”闫建昌表示。

在制备技术方面,氮化铝镓已经具备了一定的积累。

“氮化镓和氮化铝外延制备的主流方法是MOCVD(金属有机物化学气相沉积),在工艺、设备等产业环节已经有了二三十年的积累。氮化铝镓作为氮化镓、氮化铝的合金材料,在外延制备上与两者有很多相通之处,产业化已经开始起步,预计在接下来的3—5年,会具备规模化量产的水准。”闫建昌向记者指出。

氧化镓相比宽禁带半导体具有更高的能量转换效率。目前,氧化镓材料制备水平进展较快,但是外延、器件方面还有很多工作要做。

“氧化镓的禁带宽度比氮化镓、碳化硅等更宽,功率可以做得更高,也更加省电。氧化镓的制备条件比较苛刻,目前外延材料以2-3寸的小尺寸为主,量产和应用还有一段路要走。” 西安电子科技大学郭辉副教授向《中国电子报》记者表示。

闫建昌指出,散热能力不足是氧化镓的弊端,如何绕开这个弊端的话,去充分发挥它在功率器件的优势,是值得关注的发展方向。

金刚石被视为“终极半导体”材料,具有超宽禁带、高导热系数、高硬度的特点。但也由于硬度最高,实现半导体级别的高纯净度也最为困难,与产品化、产业化还有相当的距离。

“金刚石难以实现半导体级别的制备和掺杂,但我们可以利用类金刚石或者金刚石颗粒去改善半导体器件的散热,把金刚石自身的优势和长处先发挥出来。”闫建昌说。

窄禁带半导体: 

继续拓展光谱范围,集中应用在红外光 

与超宽禁带半导体相反,锑化物等窄禁带半导体具有高迁移率、导电性强的特点,应用领域也集中在红外线,与超宽禁带应用的紫外线正好分布在光谱两端。可以说,超宽禁带和窄禁带半导体拓展了人类对光谱的利用范围。

在光电子领域,锑化物材料体系有希望成为未来红外成像系统的主要材料体系。据中科院半导体研究所教授牛智川介绍,传统红外光电材料由于均匀性不足、基片面积小、良率极低等瓶颈,难以实现大阵列、双色、多色焦平面以及甚远红外焦平面的制造。

“锑化物在具有高性能的前提下,带隙调控适用范围更广、成本更低、制造规模更大,锑化镓基半导体外延材料技术已经成长为红外光电器件制造的主流。”牛智川向《中国电子报》记者表示。

在微电子领域,锑化物半导体具有超过前三代半导体体系的超高速迁移率,在发展超低功耗超高速微电子集成电路器件方面潜力重大。

在热电器件领域,含锑元素的各类晶体材料具有优良的热电和制冷效应,是长期以来热电制冷器件领域的重要技术方向,具有广阔的应用前景。

在制备方面,锑化物窄带隙半导体与砷化镓、磷化铟等III-V族体系的结构特性、制备工艺类似或兼容,因此不存在量产技术的障碍,其制备成本主要受单晶衬底晶圆面积、外延材料量产容量、工艺集成技术良率的制约。

“随着功能器件需求放大,基于锑化物的激光器和探测器制造已经在量产方面获得了充分的验证,在光电子功能的各类应用领域制造规模逐步扩大,已经具备量产条件。”牛智川指出。

下一代半导体: 

越走越“宽”还是越“窄”? 

新一代半导体材料是产业变革的基石。从以硅为代表的第一代半导体材料,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料,以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料,半导体器件的工作范围和适用场景不断拓展,为信息社会的发展提供有力支撑。

牛智川表示,评估半导体材料的发展前景时,应注重两个指标。

一是能否发展出高可控性的量产制备技术,这是判断新体系材料是否具有长期发展前景的必要前提。在面向实际应用发展的初期阶段,必须评估规模化生产平台的可行性,包括大型制造设备等,并通过小试和中试工程化考验,检验产品良率和器件性能的稳定性。

其次是技术迭代链条是否完善,这是市场化成败的必要考量。半导体技术迭代链条包括所有技术环节所需的相关支撑条件是否具备可靠来源,市场周期的波动率,用户对产品需求性价比,以及对比竞品材料的优劣等。

在具备产业化前景的基础上,该如何发挥材料自身的性质,使之转化为产业发展的动力并释放市场价值?

闫建昌表示,每一种材料都有自身的优势和局限性,要充分发挥或者挖掘其有利因素,以扬长避短。曾经业界认为氮化镓材料缺陷密度太高,不可能用来发光,但氮化镓的一些特殊机制能够绕开缺陷密度的问题,并基于自身的硬度和化学稳定性等优势弥补纯净度的不足,赢得了发展空间。

“无论氮化铝镓、氧化镓还是金刚石,在器件和产业发展上还有很大的空间。发展的基础取决于材料本身和材料制备水平,要实现更低的缺陷密度,把材料的优势和潜力充分发掘出来,这是未来超宽禁带技术和产业发展的基础。”闫建昌说。

郭辉表示,新材料的上量有一个过程,要考虑综合效益,找寻市场地位。

“在微电子领域,超宽禁带半导体主要用于功率半导体,既要考虑材料本身的制备成本和功率器件本身的成本,也要考虑器件用在系统内的成本。通过综合效益寻找市场空间,形成市场竞争力。”郭辉说。

牛智川表示,要在扎实做好实验室技术开发研究基础上,深入理解材料物性优化的基本技术方法、路径,全方位建立基础物理化学性质数据,形成从设计到器件功能实现的最佳迭代模式。在此基础上,建设中试平台,集中考验实现高良率工程化制造的技术流程、方案和规范。后续增加用户定制要求,逐步完善器件的特定功能的量产制造技术、提高迭代效率,与市场深度融合。

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