隨著電子信息技術的飛速發展，半導體材料經歷了數代更迭，每一次迭代都為電子產業帶來了革命性的變化。從第一代半導體材料硅（Si）和鍺（Ge）奠定微電子產業基礎，到第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）推動通信產業發展，再到第三代半導體材料碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在功率器件和射頻器件領域的廣泛應用，如今，第四代半導體材料以其卓越的物理化學特性、良好的導電性和發光性能，正在引領電子產業進入新的發展階段。第四代半導體材料包括氧化鎵（Ga?O?）、氮化鋁（AlN）、金剛石（Diamond）等，這些材料在功率和射頻半導體器件氣體傳感器以及光電子器件領域展現出廣闊的應用前景。
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半導體材料迭代歷程
自 1947年晶體管發明以來，每一次半導體材料的革新都會為世界帶來一輪大規模產業升級，從第一代半導體(Si、Ge)，到第二代半導體(GaAs、InP)，再到近年來廣受關注的第三代寬禁帶半導體(GaN、SiC)。在過去的 20 年中，第三代半導體的設計與生產技術已經成熟，在射頻電子、電力電子和 LED 等領域的應用已成功大規模商業化。然而，基于第三代半導體的各類電子器件正在接近其可實現性能的理論極限。為了應對未來更加苛刻的電學、光學應用場景所帶來的全新挑戰，學術界與產業界正在圍繞超寬禁帶半導體(UWBG)開展前沿技術研究。其中，代表性的超寬禁帶半導體包括氮化鋁(AIN)氧化鎵(Ga0;)、金剛石(Diamond)和和氮化硼(BN)等材料被國內產業界稱為“第四代半導體”。第四代半導體具有卓越的理化特性，包括遠超第三代半導體的帶隙、超高的擊穿電場、優秀的熱穩定性和化學惰性等,如圖 3-1四所示,在特高壓功率轉換、射頻信號處理、深紫外光電子學、極端環境(輻射、高溫)器件技術等多個領域均展現了突出的優勢與應用潛力。02
第四代半導體物理特性
表 3-1橫向對比了典型第四代半導體與傳統半導體(Si、GaN)的物理特性。相比第一至三代半導體，第四代半導體最直觀的優勢體現在超寬的帶隙(E.)與大擊穿場強(E)上,因而能夠承受更高電壓與功率所帶來的挑戰，并且，諸如巴利加優值(BFOM)、約翰遜優值等衡量功率電子、射頻電子器件綜合(JFOM)性能的指標多以線性甚至高次非線性的方式隨E。單調遞增，因此第四代半導體呈現出壓倒性的優勢。
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應用領域與潛力
如前所述，第四代半導體的 BFOM、JFOM等綜合性能指標相比第一至三代半導體均呈現壓倒性優勢。正因如此，基于第四代半導體制造的功率電子與射頻電子器件如雨后春筍般涌現出來。其中代表性的器件有AIN絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、AIN 金屬半導體場效應品體管(MES FET)、β-Ga,0;肖特基二極管(SBD)、B-Ga0;金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、β-(AL.Ga),0/Ga,0;高電子遷移率品體管(HEMT)、金剛石 SBD、金剛石 MESFET 等。一種典型 BGa,O,MOSFET功率器件如圖 3-24所示。以上這些器件已逐步應用于軍用雷達、射頻通信、電動車充電樁、特高壓輸變電等技術領域。
第四代半導體各自具有獨特優勢。其中，金剛石作為自然界中熱導率最高的材料，已被用作各類高功率器件的高導熱襯底。AIN 是壓電特性最優異的材料之一,非常適合于制造 5G手機的射頻前端芯片。而β-GaO;的生產工藝簡便，其單品生產成本甚至遠低于 GaN 等第三代半導體，因此也是目前落地應用最廣泛的第四代半導體。
盡管如此，當前各類第四代半導體也存在諸多局限性。其中，AIN單晶襯底的制造工藝尚不成熟，晶格缺陷密集、晶圓尺寸較小，制造成本居高不下。金剛石則硬度過高，很難與現有半導體加工工藝兼容，并且單品襯底的生產成本極高，遠不能達到大規模產業化的程度，而 β-Ga,0;則是自身熱導率過低，并且在應力作用下容易沿特定晶面發生解理，這嚴重制約了其在高功率場景下的器件可靠性與壽命。為了改善氧化鎵器件的散熱性能以提升其可靠性一種可行的解決方案是采用異質集成技術來制備 β-GaO;薄膜與 Si℃ 等高導熱襯底的異質結如圖 3-35所示,從而顯著降低氧化鎵器件熱阻主流的異質集成技術有兩種，分別為異質外延生長與低溫鍵合。國際競爭格局與“卡脖子”問題
在第四代半導體領域，我國與世界頂尖水平仍存在一定差距。以 AIN為例，任意尺寸的 AIN 單晶襯底一直位列對華禁運名單中。因為生產工藝難度大，目前國外有能力生產2英寸及以上高質量 AIN 單晶晶圓的機構屈指可數，而這些公司基本壟斷了 AIN 高端產品線。單晶氧化鎵、金剛石已于2022年8月被美國商務部列入出口管制名單，禁止對我國出口。不過近幾年，國內的奧趨光電、中電科 46 所、松山湖實驗室、北京大學等企業與科研機構先后攻克了該材料的生產工藝難題并達到了世界先進水平，如圖3-4所示，但是其成熟度和穩定性有待進一步提升。
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未來展望
第四代半導體材料以其卓越的物理化學特性、良好的導電性和發光性能，正在引領電子產業進入新的發展階段。在功率電子、射頻電子和光電器件等領域展現出廣闊的應用前景。盡管面臨國際技術封鎖和制造工藝難題，我國在第四代半導體領域的研發和應用已取得顯著進展。未來，隨著技術的不斷成熟和產業化的推進，第四代半導體材料有望在全球半導體產業中占據重要地位，為我國在半導體領域實現從“跟跑”到“并跑”乃至“領跑”的轉變提供有力支撐。
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