半導體材料與器件發(fā)展史

在材料領域的第一代，第二代， 第三代 并不具有“后一代優(yōu)于前一代”的說法。國外一般會把氮化鎵、碳化硅等材料叫做寬禁帶半導體；把氮化鎵、氮化鋁、氮化銦和他們的混晶材料成為氮化物半導體、或者把氮化鎵、砷化鎵、磷化銦成為III-V族半導體。我國采用的第三代半導體材料的說法是與人類歷史上的由半導體材料大規(guī)模應用帶來的三次產業(yè)革命相對應。目前，第三代半導體正在高速發(fā)展，第一、二代半導體也仍在產業(yè)中大規(guī)模應用，發(fā)揮第三代半導體無法替代的作用。 那么第三代半導體相較第一代、第二代有哪些進步？這三代半導體之間有什么技術區(qū)別？為何氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)在第三代半導體中備受追捧？

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　　一、二、三代半導體什么區(qū)別？

　　一、材料

　　第一代半導體材料，發(fā)明并實用于20世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是硅，構成了一切邏輯器件的基礎。我們的CPU、GPU的算力，都離不開硅的功勞。第二代半導體材料，發(fā)明并實用于20世紀80年代，主要是指化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表。 其中砷化鎵在射頻功放器件中扮演重要角色，磷化銦在光通信器件中應用廣泛……而第三代半導體，發(fā)明并實用于本世紀初年，涌現出了碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導體材料，因此也被成為寬禁帶半導體材料。

　　二、帶隙

　　第一代半導體材料，屬于間接帶隙，窄帶隙；第二代半導體材料，直接帶隙，窄帶隙；第三代半導體材料，寬禁帶，全組分直接帶隙。和傳統(tǒng)半導體材料相比，更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強的電壓與更快的開關頻率下運行。

　　三、應用

　　第一代半導體材料主要用于分立器件和芯片制造；第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優(yōu)良材料，廣泛應用在微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光器和衛(wèi)星導航等領域。第三代半導體材料廣泛用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件，應用于半導體照明、5G通信、衛(wèi)星通信、光通信、電力電子、航空航天等領域。

　　第三代半導體材料已被認為是當今電子產業(yè)發(fā)展的新動力。以第三代半導體的典型代表碳化硅（SiC）為例，碳化硅具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，使得其器件適用于高頻高溫的應用場景，相較于硅器件，碳化硅器件可以顯著降低開關損耗。 因此，碳化硅可以制造高耐壓、大功率的電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網、新能源汽車等行業(yè)。與硅元器件相比，氮化鎵具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領域的應用。 第三代半導體材料具有抗高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等特性，相比第一代硅基半導體可以降低50%以上的能量損失，同時使裝備體積減小75%以上。第三代半導體屬于后摩爾定律概念，制程和設備要求相對不高，難點在于第三代半導體材料的制備，同時在設計上要有優(yōu)勢。

　　第三代半導體現狀

　　由于制造設備、制造工藝以及成本的劣勢，多年來第三代半導體材料只是在小范圍內應用，無法挑戰(zhàn)硅基半導體的統(tǒng)治地位。目前碳化硅襯底技術相對簡單，國內已實現4英寸量產，6英寸的研發(fā)也已經完成。氮化鎵（GaN）制備技術仍有待提升，國內企業(yè)目前可以小批量生產2英寸襯底，具備了4英寸襯底生產能力，并開發(fā)出6英寸樣品。

　　第三代半導體的機遇

　　在5G和新能源汽車等新市場需求的驅動下，第三代半導體材料有望迎來加速發(fā)展。硅基半導體的性能已無法完全滿足5G和新能源汽車的需求，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體的優(yōu)勢被放大。 另外，制備技術的進步使得碳化硅和氮化鎵器件成本不斷下降，碳化硅和氮化鎵的性價比優(yōu)勢將充分顯現。初步判斷，第三代半導體未來的核心增長點將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優(yōu)勢的領域

　　第三代半導體-氮化鎵（GaN）

　　GaN器件主要包括射頻器件、電力電子功率器件、以及光電器件三類。GaN的商業(yè)化應用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性，相關產業(yè)已經發(fā)展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發(fā)揮GaN寬禁帶半導體特性的主要應用領域。 應用優(yōu)勢：體積小、高頻高功率、低能耗速度快；5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅動因素。 5G基站會用到多發(fā)多收天線陣列方案，GaN射頻器件對于整個天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進。在高功率，高頻率射頻應用中，獲得更高的帶寬、更快的傳輸速率，以及更低的系統(tǒng)功耗此外，GaN射頻功率晶體管，可作為新的固態(tài)能量微波源，替代傳統(tǒng)的2.45GHz磁控管，應用于從微波爐到高功率焊接機等消費電子和工業(yè)領域。 2017年全球功率半導體市場規(guī)模為327億美元，預計到2022年達到426億美元。工業(yè)、汽車、無線通訊和消費電子是前四大終端市場。

　　第三代半導體-碳化硅（SiC）

　　SiC從上世紀70年代開始研發(fā)。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT目前還在研發(fā)中。SiC能大大降低功率轉換中的開關損耗，因此具有更好的能源轉換效率，更容易實現模塊的小型化，更耐高溫。 SiC功率器件的主要應用：智能電網、交通、新能源汽車、光伏、風電；新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅動因素。目前SiC器件在新能源車上應用主要是功率控制單元（PCU）、逆變器，DC-DC轉換器、車載充電器等方面。 2017年全球SiC功率半導體市場總額達3.99億美元。預計到2023年，SiC功率半導體的市場總額將達16.44億美元。

　　審核編輯：黃飛