于3月9日凌晨召開的蘋果春季發(fā)布會(huì)帶來(lái)了M1 Ultra,它可以定義為M1系列的最后一款芯片,也是當(dāng)前系列性能最強(qiáng)的M1芯片。半導(dǎo)體芯片的發(fā)展離不開材料的支持,半導(dǎo)體材料的變化也經(jīng)歷了好幾代的更新。
我們常說(shuō)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑,這不僅可以用于現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)生活,在電子世界,這里“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)”正在經(jīng)歷著一輪革新——第四代半導(dǎo)體來(lái)了!而這將對(duì)整個(gè)電子行業(yè)帶來(lái)怎樣的影響呢?
如果把影響人類文明發(fā)展的物質(zhì)材料列一個(gè)座次,那么半導(dǎo)體材料一定能夠名列前茅。半導(dǎo)體是指具有特定導(dǎo)電性質(zhì)材料的總稱,在其半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展中,家族在不斷壯大。
半導(dǎo)體材料的演化史
第一代半導(dǎo)體材料主要是指鍺(Ge)和硅(Si)。上世紀(jì)50年代,鍺基半導(dǎo)體器件占據(jù)主導(dǎo)地位,隨后,憑借著更加優(yōu)良的性能和儲(chǔ)量上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),我們熟悉的硅站到了半導(dǎo)體材料的C位并延續(xù)至今。目前,硅片依然在全球占據(jù)著超過(guò)95%的半導(dǎo)體器件市場(chǎng)和超過(guò)99%的集成電路市場(chǎng)。
進(jìn)入20世紀(jì)90年代,為了滿足信息技術(shù)的發(fā)展需求,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳,并在衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光纖通信、無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
隨著21世紀(jì)的現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率電子器件的需求激增,憑借著高擊穿電場(chǎng)、禁帶寬度、高熱導(dǎo)率等方面的特性,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料,成為了對(duì)抗高溫、高頻、高輻射的新型解決方案。
接下來(lái)第四代半導(dǎo)體材料要登場(chǎng)了,目前主要包括了以氧化鎵(Ga2O3)、氮化鋁(AlN)為代表的超寬禁帶(UWBG)半導(dǎo)體材料,以及以銻化物(GaSb、InSb)為代表的超窄禁帶(UNBG)半導(dǎo)體材料。
值得說(shuō)明的是,半導(dǎo)體新一代較上一代并不是替換的關(guān)系,各代半導(dǎo)體材料間不同的材料特性往往決定了其不同的應(yīng)用場(chǎng)景,因此用哪種材料還需“對(duì)癥下藥”。接下來(lái)就讓我們了解下作為第四代半導(dǎo)體材料代表的氧化鎵有什么特別之處。
四代“代表”氧化鎵
氧化鎵是金屬鎵的氧化物,同時(shí)也是一種半導(dǎo)體化合物,它擁有約4.5-4.9eV的禁帶寬度,相較GaN的3.4eV和SiC的3.3eV都高出許多。對(duì)于半導(dǎo)體材料而言,禁帶寬度直接決定了其抗壓和抗高溫方面的性能,因此超寬禁帶特性也使它能承受更高的崩潰電壓和臨界電場(chǎng)。目前大部分研究和開發(fā)也是針對(duì)禁帶寬度在4.7eV至4.9eV之間的氧化鎵進(jìn)行的。
一種材料能否走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大面積的應(yīng)用,成本往往是最重要的一項(xiàng)因素。之前的硅替代鍺就是一個(gè)很好的例子,而氧化鎵吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的一個(gè)重要因素也是由于它的成本較低。氧化鎵成本較低源于氧化鎵晶體的生長(zhǎng)可以借助一種從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀單結(jié)晶狀態(tài)的技術(shù),利用這種方法做出氧化鎵晶圓可以大幅度降低生產(chǎn)成本。從同樣基于6英寸襯底的最終器件成本構(gòu)成來(lái)看,基于氧化鎵材料的器件成本為195美金,僅為SiC材料的五分之一。
當(dāng)然,氧化鎵也沒法做到面面俱到,比如在散熱方面,氧化鎵熱導(dǎo)率為0.25W/cm.K,相較于SiC等高功率材料較差,這意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量難以發(fā)散,限制了器件的壽命。再者,氧化鎵本征為N型半導(dǎo)體材料,對(duì)于氧化物而言,解決P型半導(dǎo)體的摻雜問(wèn)題相對(duì)會(huì)比較困難。雖然目前氧化鎵被看作是一個(gè)比氮化鎵更有前景的技術(shù)路線,但是在得到大規(guī)模的應(yīng)用之前,仍存在諸如上述一些問(wèn)題有待克服。
氧化鎵有何“用武之地”
憑借著比第三代半導(dǎo)體材料更寬的禁帶以及深紫外光電特性,關(guān)于氧化鎵的研究和應(yīng)用已經(jīng)在紫外探測(cè)、高頻功率器件等領(lǐng)域徐徐展開,諸如電動(dòng)車、電力系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的渦輪等都是該材料的應(yīng)用場(chǎng)景。在光感與氣體傳感器領(lǐng)域,也可以利用氧化鎵的透明薄膜作為透明面板上的組件。再加上其熱穩(wěn)定性以及人工晶體襯底可以低成本合成,未來(lái)氧化鎵在小型化、高效、性價(jià)比優(yōu)良的超大功率晶體管的開發(fā)上也擁有巨大的潛力。
(圖片源于:半導(dǎo)體行業(yè)觀察)
在對(duì)以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體材料的研究和開發(fā)上,各國(guó)也早已開始了行動(dòng)。
2020年,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)計(jì)劃以未來(lái)5年超過(guò)8,560萬(wàn)美元的資金為開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營(yíng)企業(yè)和大學(xué)提供支持,METI也希望幫助本國(guó)公司在今后十年能夠以基于氧化鎵的半導(dǎo)體材料應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車。其中,F(xiàn)LOSFIA公司利用“噴霧干燥法”(MistDry)從液態(tài)直接獲得氧化鎵襯底,這種方法不需要高溫、超潔凈的環(huán)境,在降低制造氧化鎵成本上又實(shí)現(xiàn)了突破。
在2018年,美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校制造了一個(gè)由5微米厚的由氧化鎵制成的MOSFET,擊穿電壓為1,850V,將被用于制造更小、更高效的電子系統(tǒng)。2020年該團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一款薄如紙張的基于氧化鎵的晶體管,且能夠承受8,000V以上的電壓。
中國(guó)在氧化鎵的研究方面也有多年的積累,2018年,中國(guó)電科46所經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)探索,成功制備出國(guó)內(nèi)第一片高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。此外,歐洲等國(guó)也在全力追趕這方面的研究,一場(chǎng)以氧化鎵為主題的競(jìng)賽正在全球各地進(jìn)行著。
發(fā)展第四代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已成為勢(shì)在必行的共識(shí),隨著“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)”的更新迭代,上層更加豐富多彩的應(yīng)用也離我們?cè)絹?lái)越近。