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隨著以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體步入產(chǎn)業(yè)化階段，對新一代半導體材料的探討已經(jīng)進入大眾視野。走向產(chǎn)業(yè)化的銻化物，以及國內(nèi)外高度關(guān)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?qū)?，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(wěn)定性越強，因而超寬禁帶半導體能應(yīng)用于高溫、高功率、高頻率以及較耐輻照等特殊環(huán)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(yīng)范圍非常寬廣。”中國科學院半導體研究所研究員閆建昌向記者表示。
在光電子領(lǐng)域，超寬禁帶半導體在紫外發(fā)光、紫外探測有著廣闊的應(yīng)用空間?；诘X鎵等超寬禁帶半導體的紫外發(fā)光二極管和紫外激光二極管應(yīng)用于殺菌消毒等醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，特定波長的紫外線能幫助人體補鈣。在工業(yè)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(nèi)調(diào)節(jié)，是一種靈活的半導體材料。
“通過調(diào)節(jié)鋁的組份，氮化鋁鎵可以實現(xiàn)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(fā)射相應(yīng)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(shù)方面，氮化鋁鎵已經(jīng)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(shè)備等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)已經(jīng)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(chǎn)業(yè)化已經(jīng)開始起步，預(yù)計在接下來的3—5年，會具備規(guī)?；慨a(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)和應(yīng)用還有一段路要走。” 西安電子科技大學郭輝副教授向記者表示。
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(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢，是值得關(guān)注的發(fā)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(shù)、高硬度的特點。但也由于硬度最高，實現(xiàn)半導體級別的高純凈度也最為困難，與產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化還有相當?shù)木嚯x。
“金剛石難以實現(xiàn)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(yōu)勢和長處先發(fā)揮出來。”閆建昌說。
窄禁帶半導體：
繼續(xù)拓展光譜范圍，集中應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域也集中在紅外線，與超寬禁帶應(yīng)用的紫外線正好分布在光譜兩端?？梢哉f，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(lǐng)域，銻化物材料體系有希望成為未來紅外成像系統(tǒng)的主要材料體系。據(jù)中科院半導體研究所教授牛智川介紹，傳統(tǒng)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(xiàn)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(diào)控適用范圍更廣、成本更低、制造規(guī)模更大，銻化鎵基半導體外延材料技術(shù)已經(jīng)成長為紅外光電器件制造的主流。”牛智川向記者表示。
在微電子領(lǐng)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(fā)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(lǐng)域，含銻元素的各類晶體材料具有優(yōu)良的熱電和制冷效應(yīng)，是長期以來熱電制冷器件領(lǐng)域的重要技術(shù)方向，具有廣闊的應(yīng)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(jié)構(gòu)特性、制備工藝類似或兼容，因此不存在量產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)容量、工藝集成技術(shù)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(jīng)在量產(chǎn)方面獲得了充分的驗證，在光電子功能的各類應(yīng)用領(lǐng)域制造規(guī)模逐步擴大，已經(jīng)具備量產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(fā)展提供有力支撐。
半導體代表性材料進階圖
那么，真正具有技術(shù)前景的新一代半導體材料，應(yīng)該具備哪些要素？
牛智川表示，評估半導體材料的發(fā)展前景時，應(yīng)注重兩個指標。
一是能否發(fā)展出高可控性的量產(chǎn)制備技術(shù)，這是判斷新體系材料是否具有長期發(fā)展前景的必要前提。在面向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的初期階段，必須評估規(guī)?；a(chǎn)平臺的可行性，包括大型制造設(shè)備等，并通過小試和中試工程化考驗，檢驗產(chǎn)品良率和器件性能的穩(wěn)定性。
其次是技術(shù)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(shù)迭代鏈條包括所有技術(shù)環(huán)節(jié)所需的相關(guān)支撐條件是否具備可靠來源，市場周期的波動率，用戶對產(chǎn)品需求性價比，以及對比競品材料的優(yōu)劣等。
在具備產(chǎn)業(yè)化前景的基礎(chǔ)上，該如何發(fā)揮材料自身的性質(zhì)，使之轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)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(yōu)勢和局限性，要充分發(fā)揮或者挖掘其有利因素，以揚長避短。曾經(jīng)業(yè)界認為氮化鎵材料缺陷密度太高，不可能用來發(fā)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(wěn)定性等優(yōu)勢彌補純凈度的不足，贏得了發(fā)展空間。
“無論氮化鋁鎵、氧化鎵還是金剛石，在器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上還有很大的空間。發(fā)展的基礎(chǔ)取決于材料本身和材料制備水平，要實現(xiàn)更低的缺陷密度，把材料的優(yōu)勢和潛力充分發(fā)掘出來，這是未來超寬禁帶技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。”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(lǐng)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(tǒng)內(nèi)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(shù)開發(fā)研究基礎(chǔ)上，深入理解材料物性優(yōu)化的基本技術(shù)方法、路徑，全方位建立基礎(chǔ)物理化學性質(zhì)數(shù)據(jù)，形成從設(shè)計到器件功能實現(xiàn)的最佳迭代模式。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)中試平臺，集中考驗實現(xiàn)高良率工程化制造的技術(shù)流程、方案和規(guī)范。后續(xù)增加用戶定制要求，逐步完善器件的特定功能的量產(chǎn)制造技術(shù)、提高迭代效率，與市場深度融合。
