第四代半导体材料氧化镓主要研究机构

2022年8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）发布公告，称出于国家安全考虑，将四项“新兴和基础技术”纳入新的出口管制。这四项技术分别是：能承受高温高电压的第四代半导体材料氧化镓和金刚石；专门用于3nm及以下芯片设计的ECAD软件；可用于火箭和高超音速系统的压力增益燃烧技术。

上述四项管制技术中，第四代半导体材料氧化镓材料被科学家认为与当前使用成熟的带隙材料（如碳化硅、氮化镓）制造的传统小带隙硅基芯片相比，氧化镓能够在更高的温度和功率下工作，适用于电动汽车配电系统或转换器等，这些转换器能将电力从风力涡轮机等替代能源转移到电网中。因此，氧化镓材料是最具前景的半导体材料之一。

通过检索美国工程索引（EI）数据库中氧化镓相关论文，梳理了半导体材料氧化镓的研究机构情况，供读者了解。

一、研究机构排名

发文数量排名前5的研究机构依次是比利时微电子研究中心（IMEC）、中国台湾成功大学电机工程系微电子研究所、韩国成均馆大学、佛罗里达大学、北京大学。

图1 第四代半导体材料氧化镓研究机构排名

数据来源：EI，上海科学技术情报研究所搜集整理

二、研究机构简介

比利时微电子研究中心（IMEC）

比利时微电子研究中心（IMEC）为第四代半导体材料氧化镓发文最多的机构。在信息与通信技术领域，比利时处在欧洲领先地位。比利时在90年代初期是欧洲最先建设全国的宽带网络基础设施的国家之一。许多公司在此设立了研究中心（如位于安特卫普的阿尔卡特—朗讯贝尔实验室、位于Kortrijk的思科分支机构——亚特兰大科学中心）。其中，IMEC是世界领先的纳米电子研究中心，其研究项目比产业需求超前3-10年。世界顶级的综合设备制造商、设备与材料供应商、系统公司和电子设计自动化供应商都直接参与了研究中心的项目开发。

中国台湾成功大学电机工程系微电子研究所

关于半导体材料氧化镓发文数量第二的机构是中国台湾成功大学电机工程系微电子研究所。该所主要从事半导体材料元件的研究、开发新颖高速微波元件、系统与光电科技。根据其规划，今后将发展微波元件、光电元件、VLSI元件、高集积密度集成电路，功能性光集积电路系统、大面积显示板、通信用光学集成电路、微集成电路、高速及负微分电阻元件、电子构装技术、量子元件设计与研制、碳化硅高温高功率元件研制、奈米元件与材料、有机发光二极管、微机电远红外线感测器、CMOS深次微米元件及技术、高灵敏度气体感测器、深次微米CMOS元件之可靠度研究等。

成均馆大学

韩国成均馆大学在半导体研究方面较为突出，其最新研究成果主要关于基于溶液处理氧化物半导体的人工光电突触阵列用于时空突触集成。该成果展示了一种光电突触阵列，该阵列由溶液处理的铟镓锌氧化物（IGZO）突触设备组成，模拟复杂的神经功能，如用于神经形态实现的时空突触集成。其中IGZO突触装置采用了垂直堆叠的金属-绝缘体-半导体-金属结构，以实现有效的光诱导电导更新和通常低于3V的低电压操作。使用光作为刺激，多种突触功能，包括短期记忆/长期记忆、对称尖峰时间依赖性可塑性，并模拟了穗数依赖性可塑性。此外，通过实现ADAM训练算法，其对手写数字图像的识别准确率高达89.4%。此外，使用交叉结构的3×3 IGZO突触阵列，成功地进行了时空求和的模拟，这被认为是大脑中发生的神经编码和听觉识别过程的原因。

佛罗里达大学

佛罗里达大学的发文主要来自于其盖恩斯维尔材料科学与工程系及化学工程系。佛罗里达大学、美国海军研究实验室和韩国大学的研究人员曾共同发表相关研究，展现最具前景的超宽带化合物——氧化镓（Ga2O3）的特性、能力、电流限制和未来发展前景。在微电子器件中，带隙是决定底层材料的导电性的主要因素。大带隙材料通常是不能很好地导电的绝缘体，而具有较小带隙则是是半导体。与使用成熟带隙材料（如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））制造的传统小带隙硅基芯片相比，氧化镓能够在更高的温度和功率下工作。氧化镓具有4.8电子伏特（eV）的极宽带隙，超过硅的1.1eV及SiC和GaN的3.3eV，使氧化镓能够承受比硅、SiC和GaN更大的电场而不会发生击穿。此外，氧化镓在较短距离内处理相同的电压，对于制造更小、更高效的高功率晶体管非常有用。佛罗里达大学材料科学与工程教授、论文作者Stephen Pearton说：“氧化镓为半导体制造商提供了一种高度适用于微电子器件的衬底材料。该化合物非常适用于为电动汽车的配电系统或转换器，这些转换器能将电力从风力涡轮机等替代能源转移到电网中。”

北京大学

北京大学下设的北京大学微电子研究所、北京大学深圳研究生院均涉及半导体材料研究。其中北京大学微电子研究所前身是 1956年由著名科学家黄昆院士领导创建的北京大学物理系半导体教研室。其包括微米/纳米加工技术国家重点实验室、新工艺新器件新结构集成电路重点实验室、北京市软件固化高科技实验室、CAE实验室、微电子科学技术工艺实验室等机构。

 

参考文献：

1. 中华人民共和国商务部中国出口管制信息网. http://exportcontrol.mofcom.gov.cn/article/gjdt/202208/710.html[EB/OL].[2022-08-22]

2. 中华人民共和国商务部中国出口管制信息网. http://be.mofcom.gov.cn/article/jmjg/ztdy/202007/20200702984147.shtml[EB/OR]. [2020-07-17]

3. Song, Seungho, et al. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 857, DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.158027

4. 中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟. http://www.iawbs.com/portal.php?mod=view&aid=348 [EB/OL].[ 2018-12-21]