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于3月9日凌晨召開的蘋果春季發(fā)布會帶來了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。
我們常說經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑，這不僅可以用于現(xiàn)實的經(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)體來了！而這將對整個電子行業(yè)帶來怎樣的影響呢？
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)良的性能和儲量上的絕對優(yōu)勢，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95%的半導(dǎo)體器件市場和超過99%的集成電路市場。
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、移動通訊、光纖通信、無線區(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、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，成為了對抗高溫、高頻、高輻射的新型解決方案。
接下來第四代半導(dǎo)體材料要登場了，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)用場景，因此用哪種材料還需“對癥下藥”。接下來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。目前大部分研究和開發(fā)也是針對禁帶寬度在4.7eV至4.9eV之間的氧化鎵進(jìn)行的。
一種材料能否走出實驗室進(jìn)行大面積的應(yīng)用，成本往往是最重要的一項因素。之前的硅替代鍺就是一個很好的例子，而氧化鎵吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的一個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，對于氧化物而言，解決P型半導(dǎo)體的摻雜問題相對會比較困難。雖然目前氧化鎵被看作是一個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、高頻功率器件等領(lǐng)域徐徐展開，諸如電動車、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，未來氧化鎵在小型化、高效、性價比優(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，各國也早已開始了行動。
2020年，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）計劃以未來5年超過8,560萬美元的資金為開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學(xué)提供支持，METI也希望幫助本國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現(xiàn)了突破。
在2018年，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校制造了一個由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。
中國在氧化鎵的研究方面也有多年的積累，2018年，中國電科46所經(jīng)過多年的技術(shù)探索，成功制備出國內(nèi)第一片高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。此外，歐洲等國也在全力追趕這方面的研究，一場以氧化鎵為主題的競賽正在全球各地進(jìn)行著。
發(fā)展第四代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已成為勢在必行的共識，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)用也離我們越來越近。
