随着电子信息技术的飞速发展，半导体材料经历了数代更迭，每一次迭代都为电子产业带来了革命性的变化。从第一代半导体材料硅（Si）和锗（Ge）奠定微电子产业基础，到第二代半导体材料砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）推动通信产业发展，再到第三代半导体材料碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）在功率器件和射频器件领域的广泛应用，如今，第四代半导体材料以其卓越的物理化学特性、良好的导电性和发光性能，正在引领电子产业进入新的发展阶段。第四代半导体材料包括氧化镓（Ga₂O₃）、氮化铝（AlN）、金刚石（Diamond）等，这些材料在功率和射频半导体器件气体传感器以及光电子器件领域展现出广阔的应用前景。
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半导体材料迭代历程
自 1947年晶体管发明以来，每一次半导体材料的革新都会为世界带来一轮大规模产业升级，从第一代半导体(Si、Ge)，到第二代半导体(GaAs、InP)，再到近年来广受关注的第三代宽禁带半导体(GaN、SiC)。在过去的 20 年中，第三代半导体的设计与生产技术已经成熟，在射频电子、电力电子和 LED 等领域的应用已成功大规模商业化。然而，基于第三代半导体的各类电子器件正在接近其可实现性能的理论极限。为了应对未来更加苛刻的电学、光学应用场景所带来的全新挑战，学术界与产业界正在围绕超宽禁带半导体(UWBG)开展前沿技术研究。其中，代表性的超宽禁带半导体包括氮化铝(AIN)氧化镓(Ga0;)、金刚石(Diamond)和和氮化硼(BN)等材料被国内产业界称为“第四代半导体”。第四代半导体具有卓越的理化特性，包括远超第三代半导体的带隙、超高的击穿电场、优秀的热稳定性和化学惰性等,如图 3-1四所示,在特高压功率转换、射频信号处理、深紫外光电子学、极端环境(辐射、高温)器件技术等多个领域均展现了突出的优势与应用潜力。02
第四代半导体物理特性
表 3-1横向对比了典型第四代半导体与传统半导体(Si、GaN)的物理特性。相比第一至三代半导体，第四代半导体最直观的优势体现在超宽的带隙(E.)与大击穿场强(E)上,因而能够承受更高电压与功率所带来的挑战，并且，诸如巴利加优值(BFOM)、约翰逊优值等衡量功率电子、射频电子器件综合(JFOM)性能的指标多以线性甚至高次非线性的方式随E。单调递增，因此第四代半导体呈现出压倒性的优势。
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应用领域与潜力
如前所述，第四代半导体的 BFOM、JFOM等综合性能指标相比第一至三代半导体均呈现压倒性优势。正因如此，基于第四代半导体制造的功率电子与射频电子器件如雨后春笋般涌现出来。其中代表性的器件有AIN绝缘栅双极晶体管(IGBT)、AIN 金属半导体场效应品体管(MES FET)、β-Ga,0;肖特基二极管(SBD)、B-Ga0;金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、β-(AL.Ga),0/Ga,0;高电子迁移率品体管(HEMT)、金刚石 SBD、金刚石 MESFET 等。一种典型 BGa,O,MOSFET功率器件如图 3-24所示。以上这些器件已逐步应用于军用雷达、射频通信、电动车充电桩、特高压输变电等技术领域。
第四代半导体各自具有独特优势。其中，金刚石作为自然界中热导率最高的材料，已被用作各类高功率器件的高导热衬底。AIN 是压电特性最优异的材料之一,非常适合于制造 5G手机的射频前端芯片。而β-GaO;的生产工艺简便，其单品生产成本甚至远低于 GaN 等第三代半导体，因此也是目前落地应用最广泛的第四代半导体。
尽管如此，当前各类第四代半导体也存在诸多局限性。其中，AIN单晶衬底的制造工艺尚不成熟，晶格缺陷密集、晶圆尺寸较小，制造成本居高不下。金刚石则硬度过高，很难与现有半导体加工工艺兼容，并且单品衬底的生产成本极高，远不能达到大规模产业化的程度，而 β-Ga,0;则是自身热导率过低，并且在应力作用下容易沿特定晶面发生解理，这严重制约了其在高功率场景下的器件可靠性与寿命。为了改善氧化镓器件的散热性能以提升其可靠性一种可行的解决方案是采用异质集成技术来制备 β-GaO;薄膜与 Si℃ 等高导热衬底的异质结如图 3-35所示,从而显著降低氧化镓器件热阻主流的异质集成技术有两种，分别为异质外延生长与低温键合。国际竞争格局与“卡脖子”问题
在第四代半导体领域，我国与世界顶尖水平仍存在一定差距。以 AIN为例，任意尺寸的 AIN 单晶衬底一直位列对华禁运名单中。因为生产工艺难度大，目前国外有能力生产2英寸及以上高质量 AIN 单晶晶圆的机构屈指可数，而这些公司基本垄断了 AIN 高端产品线。单晶氧化镓、金刚石已于2022年8月被美国商务部列入出口管制名单，禁止对我国出口。不过近几年，国内的奥趋光电、中电科 46 所、松山湖实验室、北京大学等企业与科研机构先后攻克了该材料的生产工艺难题并达到了世界先进水平，如图3-4所示，但是其成熟度和稳定性有待进一步提升。
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未来展望
第四代半导体材料以其卓越的物理化学特性、良好的导电性和发光性能，正在引领电子产业进入新的发展阶段。在功率电子、射频电子和光电器件等领域展现出广阔的应用前景。尽管面临国际技术封锁和制造工艺难题，我国在第四代半导体领域的研发和应用已取得显著进展。未来，随着技术的不断成熟和产业化的推进，第四代半导体材料有望在全球半导体产业中占据重要地位，为我国在半导体领域实现从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的转变提供有力支撑。
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