第四代半导体是指以氧化镓(Ga2O3)和锑化物等为代表的半导体材料,相比其他半导体材料,第四代半导体材料拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势,可以在苛刻的环境条件下能够更好地运用在光电器件、电力电子器件中。
其中,锑化物半导体在开发下一代的小体积、轻重量、低功耗、低成本器件,及其要求极为苛刻的应用方面就具有着不可替代的独特优势。
一般来说,半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料,是半导体工业的基础。迄今为止,半导体材料主要分为:基于Ⅳ族硅Si、锗Ge元素的第一代半导体;基于Ⅲ-Ⅴ族砷化镓、磷化铟的第二代半导体以及基于Ⅲ-Ⅴ族氮化镓、Ⅳ族碳化硅的第三代半导体等。
对于第四代半导体材料而言,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;其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。
第四代半导体发展背景
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。
在此背景下,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。
其中早在2011年,日本田村制作所就开发出使用氧化镓基板的GaN类LED元件。然而今年9月,据日本媒体报道,日本经济产业省(METI)正准备为致力于开发新一代耗半导体材料“氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持,METI将为明年留出大约2030万美元的资金,预计未来5年的投资额将超过8560万美元。
尽管我国起步较晚,但对于氧化镓等第四代半导体材料的研究却也在推进中。
我国第四代半导体领域研究仍在推进
自2005年开始,我国锑化物研究陆续传来好消息。中科院半导体研究所、上海技术物理研究所等研究机构率先突破了锑化镓基砷化铟/锑化镓超晶格焦平面技术,性能基本保持与国际同步的发展水平。
目前,中科院半导体所研制的锑化镓衬底实现了2-3英寸直径衬底的量产,最大尺寸达到4英寸;同时,实现了2-3英寸直径、500-1000片/年的锑化物多功能低维材料外延晶圆的开发,研发了4英寸分子束外延技术。
而在氧化镓单晶方面,2017年,同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术成功制备出2英寸高质量-Ga2O3单晶。研究人员通过建立合理的热场温度分布,结合生长过程中的氧化气氛、气压调控,有效抑制了Ga2O3的分解挥发;同时解决了多晶生长、挛晶、镶嵌结构、开裂等缺陷问题。该项研究成果将有力推动我国氧化镓基电力电子器件和探测器件的发展。
除技术方面的研究外,我国第四代半导体相关的企业、项目也在陆续落地。
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