第三代半导体来势汹汹 前代材料将全面退赛？
从半导体材料的三项重要参数看，第三代半导体材料在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上均有着优异的表现。
半导体行业中有“一代材料、一代技术、 一代产业”的说法。
与一些人对“工业王冠上的钻石”生产制造上的断言相似，在芯片制造中，材料若缺席，技术充其量就是一纸PPT，无法落地为产品。
随着以碳化硅、氮化镓等宽禁带化合物为代表的第三代半导体应用技术的进步，5G、毫米波通讯、新能源汽车、光伏发电、航空航天等战略新兴产业的关键核心器件的性能将获得质的提升。
以氮化镓材料切入电源管理应用为标志，第三代半导体的“超级风口”已呼啸而至。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》已将推动“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”写入了“科技前沿领域攻关”部分。
化合物半导体制造产业迎来新风貌
当第一代、第二代半导体材料工艺逐渐接近物理极限，有望突破传统半导体技术瓶颈的第三代半导体材料成为行业发展的宠儿。
事实上，国内之所以将半导体材料以“代”来划分，多少缘自于随着半导体材料的大规模应用而来的三次产业革命。
第一代半导体材料以硅（Si）为代表，其取代了笨重的电子管，推动了以集成电路为核心的微电子产业的迅猛发展。
第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）等为主，磷化铟半导体激光器是光通信系统的关键器件，砷化镓高速器件更开拓了光纤及移动通信新产业。
而以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料则有效推动着半导体照明、显示、电力汽车等产业的发展。
从半导体材料的三项重要参数看，第三代半导体材料在电子迁移率（低压条件下的高频工作性能）、饱和漂移速率（高压条件下的高频工作性能）、禁带宽度（器件的耐压性能、最高工作温度与光学性能）三项指标上均强于硅材料器件。
其中，最引人注目的是第三代半导体的“宽禁带（Wide Band-Gap，WBG）”。高禁带宽度的好处是，器件耐高压、耐高温，并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。
但参数的优异并不意味着半导体材料一代更比一代好。事实上，一、二、三代半导体材料各有其适合的应用范畴，在未来很长的时间中，这三代半导体材料还将共存。
虽然硅材料没有那么牛的参数，但在可靠性和整体性能上，目前还没有任何半导体材料可以和它抗衡。作为半导体行业人士心中的“终极半导体”，金刚石甚至连实验室都还没走出。
但同时我们可以看到，随着氮化镓材料切入电源管理，化合物半导体制造产业的风貌迎来改变。
化合物半导体泛指各种不以硅为基础的半导体材料，通常可分成三五族半导体与二六族半导体。
三五族半导体由三族的元素铝、镓、铟及五族的元素氮、磷、砷、锑等组成。二六族半导体则是由二族的元素锌、镉、汞和六族元素硫、硒、碲形成的化合物。
所有电子设备都需要电源管理，当氮化镓敲开电源管理这个庞大市场的大门，化合物半导体也开始展现出不容小觑的商业潜力。
第三代半导体尚待产品导入
由于制备工艺成熟、自然界储备量大且应用广泛，硅材料器件有着难以逾越的价格优势。
然而，当特斯拉为了行驶里程仅5%的提升，不惜以成本高几倍的代价率先全面采用碳化硅时，这种新材料在新能源汽车及配套领域的应用潜力就得到了验证，为将节能视为首要需求的行业树立了一块样板。
虽然成本高昂、生产工艺不成熟等问题还待解决，但第三代半导体的应用之门已经拉开了一条缝。
阿里巴巴达摩院发布的2021十大科技趋势将“第三代半导体迎来应用大爆发”列在首位。
达摩院认为，未来五年，第三代半导体材料将在材料生长、器件制备等技术上实现突破，基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景，大幅降低整体能耗。
可以预见的是，随着5G、新能源汽车等市场对第三代半导体的需求扩大，以及制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断获得突破，第三代半导体的性价比也将得到提升。
第三代半导体在高温、强辐射、大功率等特殊场景中的优势显著。但在可预见的功率器件等第三代半导体最有潜力的市场中，硅材料目前仍占主导地位，让企业从已经成熟的硅产品线切换到第三代半导体，并不是件容易的事。
第三代半导体的难点不在设备和逻辑电路设计，要走向规模商用，如何有效降低衬底价格、提高尺寸，如何配合不同材料的制程条件形成有效开发流程，持续渗透功率半导体领域，相关企业还需努力。
在达摩院十大科技趋势项目组专家看来，第三代半导体要走向规模化、商用化，有些必要条件还需满足。
比如，细分领域的代际优势获得市场进一步验证，元器件可靠性能够满足整机厂商对消费端及工业端的差异化需求，应用端利润可基本覆盖材料到制程的投入，代工体系有效支撑通用芯片的稳定供货及面向第三代半导体器件与电路的专业工程师群体的成长。
不能错过新一列半导体列车
和设计环节相比，半导体制造环节的规模小得多，但技术要求更高，是整个半导体产业的根基。
芯片不是半导体行业的全部，却对材料性能要求最为苛刻，生产工艺最为复杂，显示面板次之，光伏面板最低。
半导体材料涉及各种金属、合金、非金属，各类元素以及酸、碱等各类试剂，细分子行业多达上百个，也潜藏着很多隐形冠军。
在全球半导体材料供应链中，日企占据主导地位。第三代半导体行业中，欧美日厂商三足鼎立，全球70%—80%的碳化硅市场由美国把控。
近年来，我国半导体厂商在设计、制造和封测三个半导体芯片产业关键环节取得了长足的进步，一些设计和封测厂商已进入全球领先阵营。
但是，在半导体制造环节我们与国外厂商的差距依然很大，其所需的关键设备和半导体材料尤为薄弱。国内第三代半导体企业多数还处于研发、项目建设或小批量供货阶段。
相比传统硅半导体动辄高达千亿级别的投资，第三代半导体投资强度小，但战略意义大，被产学研各界视为我国摆脱集成电路产业对外依赖，实现技术追赶和产业发展的突破口。
中科院院士郝跃等专家认为，我国第三代半导体发展水平与国际先进水平差距不大，可以成为国家集成电路产业发展突破口。
第三代半导体是科研领域的重要发展方向，企业在集成电路和半导体技术领域也开始大规模投入。
但正如今年全国两会期间全国政协委员王文银表达的观点，第三代半导体盈利释放缓慢，应该避免产业发展从一拥而上变为一地狼藉，通过规划引导将地方付出变为真正的产能。
人们期待第三代半导体市场出现这样一个群体——规模不必大却拥有话语权及产业链把控能力，既能为常规经济高质量运行提供保障和支撑，也能在关键时刻发挥奇兵效应。（刘 艳）
来源： 科技日报
第三代半导体来了，芯片行业会“变天”吗？
作者 ｜ 张双虎
氮化镓互补型逻辑电路拥有一系列“类CMOS”的优点。图片来源：unsplash
5纳米、2纳米、1纳米……
作为当前芯片制造行业的主流技术，硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术已“接近物理极限”。这也意味着，“弯道超车”的机会越来越渺茫，“多道赛车”成为业内的选择。
最近，香港科技大学和南方科技大学研究人员分别在《自然—电子学》等期刊发表论文，报道了“氮化镓基互补逻辑集成电路”和“氮化镓高压多沟道器件技术”领域取得的突破，这或成为第三代半导体赛道上的一抹曙光。
适时的工作：氮化镓基互补逻辑集成电路
硅基互补金属氧化物半导体可以获得极高的能源效率，与此同时，硅材料较窄的带隙也限制了硅基集成电路的使用场景。
而宽禁带半导体，如氮化镓等在电力电子、射频电子、显示照明和严酷环境中的出色表现，让人们对其应用前景充满期待。由于缺乏在单个衬底上集成n沟道和p沟道场效应晶体管的合适策略，氮化镓基CMOS逻辑电路的开发进程缓慢。
“我们首次展示了一个完整的基本逻辑门集合，以及多级逻辑门集成更复杂逻辑电路的能力。”香港科技大学教授陈敬说，“这种氮化镓互补型逻辑电路拥有一系列‘类CMOS’的优点。这些电路可以工作在兆赫兹频率，并且拥有出色的热稳定性，一定程度上体现了宽禁带半导体的优势。”
在该研究中，陈敬团队制备了完备的基本逻辑门集合——包括非、与非、或非和传输门。其中，以反相器为代表的逻辑门展现出100%轨到轨输出能力、显著抑制的静态功耗、良好的热稳定性和充分的噪声容限，单项指标与综合性能均为已报道的同类反相器中之最佳。
“这是个很漂亮而且很适时的工作。”瑞士洛桑联邦理工学院微纳技术中心博士刘骏秋在接受《中国科学报》采访时表示。
除了完备的单级基本逻辑门，陈敬团队进一步展示了由多级互补型逻辑门组成的拥有较高复杂度的集成电路。多级集成能力的证明，对将氮化镓基CMOS技术推向实用具有重要意义。
南方科技大学电子与电气工程系助理教授马俊认为，该技术首先可用于开发高能效的新一代电能转换芯片——氮化镓电力电子集成电路，对降低电能损耗和减少碳排放具有非常重要的意义；其次能扩展氮化镓的应用方向，例如用于开发航空航天等需要耐受严酷环境（高温、辐射等条件下）的新型特种计算控制芯片。
“该论文是氮化镓集成电路方向的重要里程碑，对氮化镓基芯片的发展具有重要意义。”马俊告诉《中国科学报》。
基础器件突破：氮化镓高压多沟道电力电子器件
作为第一代半导体材料，锗和硅已在各类电子器件和集成电路上广泛应用。以砷化镓和磷化铟为代表的三五族化合物半导体材料被认为是第二代半导体，它的某些性能优点弥补了硅晶体的缺点，从而生产出符合更高要求的产品。
第三代半导体是以氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料。
在应用方面，第三代半导体在照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域的产业成熟度各不相同，在一些前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。
“第三代半导体材料领域的发展日新月异。”刘骏秋说，“比如氮化镓、碳化硅、铝镓砷等，主要用来制备电芯片。而光芯片领域，目前最成熟的材料硅、磷化铟已经以商业化为主。碳化硅目前已经开始从实验室走向成熟产业和商业化，而铌酸锂材料目前中国的研究也很前沿，很多大学都有相关的研究。值得一提的是，国际与国内很多领先的研究组已经开始研究利用第三代半导体材料实现光电集成。”
在发表于国际电子器件大会（IEDM）和《自然—电子学》的文章中，马俊团队和瑞士洛桑联邦理工大学、苏州晶湛半导体有限公司合作，通过原创性的高压多沟道电力电子器件技术，开辟了氮化镓电力电子器件研究的新领域，“有可能改变第三代半导体电力电子器件技术发展的趋势”。
“现有氮化镓电力电子器件的主流方案是硅基氮化镓器件，其品质因子受击穿电压和导通电阻的基础性限制，远未达到氮化镓材料的理论极限，近10年来进步甚微。”马俊说。
为解决这一问题，马俊等人用高压多沟道器件技术，在获得1200V高击穿电压的同时将器件的导通电阻降低为原来的1/5，将硅上氮化镓电力电子器件品质因子的国际纪录提升了4倍。
此后，马俊又以共同第一作者，将该技术的后续工作——1300V的常关型多沟道硅基氮化镓高迁移率晶体管研究成果发表于《自然—电子学》。
“这项工作是氮化镓电力电子器件领域的重大进步。”氮化镓电子器件领域专家、英国布里斯托大学教授Martin Kuball在《自然—电子学》撰写专文评论说，“该技术使氮化镓器件的性能大幅接近其理论极限，且显著地超过了现有的碳化硅器件。”
《自然—电子学》在其编辑部报道中提到，“我们重点推荐的第三篇文章是学术界和工业界的合作成果，即马俊、Elison Matioli和他们同事汇报的多沟道器件技术”，展示了该技术巨大的价值和潜力。
基础+集成：改变行业版图
“氮化镓电子器件及集成电路家族因氮化镓基CMOS的加入而更加完整，实现氮化镓基计算控制芯片已经成为可能，氮化镓电子技术的应用领域会进一步扩展。”陈敬说，“以高电子迁移率晶体管（HEMT）为代表的n沟道氮化镓器件已历逾25年的研发，近年来已开启了快速商业化的进程。”
“氮化镓基芯片未来的发展将有很大可能呈现‘基础化+集成化’的趋势。”马俊说。
马俊解释说，基础化是因为现有氮化镓电子器件的性能远未达到氮化镓材料的理论极限。因此，氮化镓基芯片的未来发展将首先聚焦于新型基础性器件技术的开发，寻求基础元器件性能的突破性进展，达到全面利用氮化镓材料性能优势的目的。
例如，在氮化镓材料擅长的射频和电力电子领域，新型的多沟道结构和纳米结构等技术正在推动氮化镓射频电子器件和电力电子器件性能的成倍提高，远远超出传统的硅器件和现有的氮化镓器件。同时，高性能的p沟道晶体管对氮化镓互补性逻辑电路的进一步发展也至关重要。
“这些基础器件性能的突破，将为氮化镓芯片的未来发展提供更广阔的可能。”马俊说，“集成是半导体发展的重要目标，氮化镓基芯片的未来发展也将沿着集成化的方向发展。”
马俊认为，集成化主要体现在两个方面。
一是氮化镓器件家族将不断扩大，包括氮化镓互补型逻辑门技术和肖特基二极管等关键基础单元，将向着实用化方向不断完善，最终形成完整的氮化镓射频电子和电力电子集成电路解决方案；二是氮化镓与传统硅基材料和芯片的集成技术也将不断发展。根据不同的应用，通过异质集成、片上集成、封装集成等多种方法，选择并集成最适配的硅基和氮化镓基芯片，形成最佳性能与最优成本的集成电路解决方案。
我们期待，芯片制造业的版图将因第三代半导体驶入赛道而改变。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00611-y
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00550-8
https://doi.org/10.1109/IEDM19573.2019.8993536
《中国科学报》 (2021-09-16 第3版 信息技术 原标题为《芯片版图“因谁而变”》)
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