第四代半導體是指以氧化鎵（Ga2O3）和銻化物等為代表的半導體材料，相比其他半導體材料，第四代半導體材料擁有體積更小、能耗更低、功能更強等優(yōu)勢，可以在苛刻的環(huán)境條件下能夠更好地運用在光電器件、電力電子器件中。
其中，銻化物半導體在開發(fā)下一代的小體積、輕重量、低功耗、低成本器件，及其要求極為苛刻的應用方面就具有著不可替代的獨特優(yōu)勢。新體系中的銻化物半導體當之無愧占據(jù)了第四代半導體的核心地位。
四代半導體的進化之路
第一代半導體材料：以硅(Si)、鍺(Ge)為代表
1990年之前，作為第一代的半導體材料(以硅材料為主)占絕對的統(tǒng)治地位。目前，半導體器件和集成電路仍然主要是用硅晶體材料制造的，硅器件構成了全球銷售的所有半導體產(chǎn)品的95％以上。
第一代半導體應用場景十分廣泛，從尖端的CPU、GPU、存儲芯片，再到各種充電器中的功率器件都可以做。雖然在某些領域的性能方面表現(xiàn)不佳，但還有性價比助其占據(jù)市場。
第二代半導體材料：以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP)為代表
隨著以光通信為基礎的信息高速公路的崛起和社會信息化的發(fā)展，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料嶄露頭角，并顯示出其巨大的優(yōu)越性。
砷化鎵和磷化銦半導體激光器成為光通信系統(tǒng)中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也加速了光纖及移動通信新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。主要應用領域為光電子、微電子、微波功率器件等。
第三代半導體材料：以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表
第三代半導體材料的興起，是以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點，以高效率藍綠光發(fā)光二極管和藍光半導體激光器的研制成功為標志的，它具備高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優(yōu)異性能，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”。
在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景，有望突破傳統(tǒng)半導體技術的瓶頸，與第一代、第二代半導體技術互補，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新的經(jīng)濟增長點將發(fā)揮重要作用。
第四代半導體材料：以氧化鎵(Ga2O3)為代表
作為新型的寬禁帶半導體材料，氧化鎵（Ga2O3）由于自身的優(yōu)異性能，憑借其比第三代半導體材料SiC和GaN更寬的禁帶，在紫外探測、高頻功率器件等領域吸引了越來越多的關注和研究。
氧化鎵是一種寬禁帶半導體，禁帶寬度Eg=4.9eV，其導電性能和發(fā)光特性良好，因此，其在光電子器件方面有廣闊的應用前景，被用作于Ga基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。
然而，需要注意的是，這四代半導體之間并不是迭代關系，它們的應用場景有交叉，但不完全重合。
第四代半導體的發(fā)展背景
隨著量子信息、人工智能等高新技術的發(fā)展，半導體新體系及其微電子等多功能器件技術也在更新迭代。雖然前三代半導體技術持續(xù)發(fā)展，但也已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出無法滿足新需求的問題，特別是難以同時滿足高性能、低成本的要求。
此背景下，人們將目光開始轉(zhuǎn)向擁有小體積、低功耗等優(yōu)勢的第四代半導體。第四代半導體具有優(yōu)異的物理化學特性、良好的導電性以及發(fā)光性能，在功率半導體器件、紫外探測器、氣體傳感器以及光電子器件領域具有廣闊的應用前景。
目前具有發(fā)展?jié)摿Τ蔀榈谒拇雽w技術的主要材料體系主要包括：窄帶隙的銻化鎵、銦化砷化合物半導體；超寬帶隙的氧化物材料；其他各類低維材料如碳基納米材料、二維原子晶體材料等。
第四代半導體的優(yōu)越性
Ga2O3的結晶形態(tài)截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種。其中，β相最穩(wěn)定。β-Ga2O3的禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強高達8 MV/cm。巴利加優(yōu)值是低損失性能指標，β-Ga2O3的巴利加優(yōu)值高達3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時，元件的導通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低器件的導通損耗。
此外，可以利用區(qū)熔法(Fz)、直拉法(Cz)、邊緣定義的薄膜饋電生長(EFG)等熔融法來生長大尺寸、高質(zhì)量的β-Ga2O3本征單晶襯底材料，可以從大塊單晶中得到Ga2O3晶片。相比較SiC和GaN生長技術，更容易獲得高質(zhì)量、低成本的單晶材料。
第四代半導體領域的研究仍在推進
1.中國
我國第四代半導體相關的企業(yè)和項目也正在陸續(xù)落地中。
2017年，北京鎵族科技有限公司（以下簡稱“鎵族科技”）正式成立。作為國內(nèi)首家、國際第二家專業(yè)從事第四代（超寬禁帶）半導體氧化鎵材料開發(fā)及應用產(chǎn)業(yè)化的高科技公司，鎵族科技致力于研發(fā)和生產(chǎn)基于新型超寬禁帶半導體材料氧化鎵的高質(zhì)量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件、高頻大功率器件。
山西爍科晶體有限公司已實現(xiàn)了5G芯片襯底材料碳化硅的國產(chǎn)自主供應，目前，也正積極布局第四代半導體材料。去年十月，中科院半導體研究所、上海技術物理研究所等研究機構率先突破了銻化鎵基砷化銦/銻化鎵超晶格焦平面技術，性能基本保持與國際同步的發(fā)展水平。
中科院半導體所研制的銻化鎵襯底實現(xiàn)了2-3英寸直徑襯底的量產(chǎn)，最大尺寸達到4英寸；同時，實現(xiàn)了2-3英寸直徑、500-1000片/年的銻化物多功能低維材料外延晶圓的開發(fā)，研發(fā)了4英寸分子束外延技術。經(jīng)測試，晶體具有很好的結晶質(zhì)量，將為國內(nèi)相關器件的研制提供有力支撐。
除中國外，日美等國也積極進行第四代半導體產(chǎn)業(yè)的布局。
2.日本
據(jù)日本媒體2020年9月報道，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省正準備為致力于開發(fā)新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學提供財政支持。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應基于氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。
3.美國
據(jù)外媒報道，2020年4月，美國紐約州立大學布法羅分校（the University at Buffalo）正在研發(fā)一款基于氧化鎵的晶體管，能夠承受8000V以上的電壓，而且只有一張紙那么薄。
該團隊在2018年制造了一個由5微米厚（一張紙厚約100微米）的氧化鎵制成的MOSFET，擊穿電壓為1,850 V。該產(chǎn)品將用于制造更小、更高效的電子系統(tǒng)，應用在電動汽車、機車和飛機上。
結語
第四代半導體因其優(yōu)越的性能，可在眾多領域廣泛應用，也成為國際社會科技競爭的要點之一。發(fā)展第四代半導體產(chǎn)業(yè)已勢在必行，如何抓住機遇占領高地，也是我們應該思考的問題。