性能强过碳化硅！第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码

《科创板日报》（上海，研究员 何律衡）讯， 近期，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波 科技 股回暖的热潮，引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时，在该领域走在全球前列的日本，却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

在此基础上，第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构，且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点，被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中，碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛，前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，已在新能源 汽车 的电源管理中有所应用，后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等，在近十年才被应用于功率半导体方向，继而引发全球研发的热潮。

研究表明，氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件；击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出，氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用，其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动 汽车 和光伏太阳能系统。

不过，氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道，今年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄，将用于制造更小、更高效的电子系统，用在电动 汽车 、机车和飞机上，用于控制和转换电子，同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外，从全球范围来看，日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家，同样具备竞争优势。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和 汽车 供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上，日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手，”该行业的一位专家向媒体表示，“一旦氧化镓成功商业化，将适用于许多领域，因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国，尽管起步较晚，但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道，在去年举行的全国 科技 活动周上，北京镓族 科技 公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外，中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶，其宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

作为“新一代电子的基础材料”而备受全球显示器技术人员关注的就是氧化物半导体TFT。因为氧化物半导体TFT是驱动超高精细液晶面板、OLED面板 以及电子纸等新一代显示器的TFT材料最佳候选之一。预计最早将在2012～2013年开始实用化，将来或许还会成为具备“柔性”和“透明”等特点的电子元件的实现手段。氧化物半导体是通常容易成为绝缘体的氧化物，但却具有半导体的性质。在众多物质当中，最受关注的是“透明非晶氧化物半导体（TAOS：Transparent Amorphous Oxide Semiconductors）”。非晶IGZO（In-Ga-Zn-O）就是一个代表性例子。除了三星和LG显示器等韩国企业外，日本的夏普、凸版印刷以及佳能等企业也在致力于TFT的应用开发。 TAOS类TFT的载流子迁移率高达10cm2/Vs以上，特性不均现象也较小。因此，可驱动像素为“4K×2K”（4000×2000像素级）、驱 动频率为240Hz的新一代高清晰液晶显示器。当前的标准技术——非晶硅类TFT以及作为新一代技术而被大力开发的有机半导体TFT因载流子迁移率只有数 cm2/Vs以下，很难应用到上述用途中。即使是在OLED显示器领域，与开发案例较多的低温多晶硅类TFT相比，实现大屏幕化时还是TAOS类TFT具 有优势这是因为AOS类TFT可以抑制OLED面板中存在着的因TFT特性不均而导致的显示不均现象。TAOS薄膜可通过溅射法形成，制造成本也容易降 低。制造工艺温度可低至接近室温这一点也是TAOS类TFT的一大魅力。可利用耐热性较差的树脂基板，因此能够实现可弯曲的电子纸等柔性显示器。利用TAOS膜的透明特性，有望使电子元件实现透明化等。进一步扩大氧化物半导体的用途时碰到的课题是如何实现p型半导体。如果能实现高质量的pn结，就有望应用于柔性透明的集成电路、LED以及太阳能电池等用途。

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