第三代半導(dǎo)體了解一下！走進(jìn)氮化鎵

第三代半導(dǎo)體材料在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領(lǐng)域，以及短波長光電子領(lǐng)域，有明顯優(yōu)于硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等第一代和第二代半導(dǎo)體材料的性能。第三代半導(dǎo)體材料正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)及國防安全技術(shù)的戰(zhàn)略制高點，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

從能帶角度看，可以劃分為三個半導(dǎo)體材料時代。

第一代半導(dǎo)體材料以 Si 和 Ge 等半導(dǎo)體材料為代表。其典型應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測器中，在未來一段時間，Si 半導(dǎo)體材料的主導(dǎo)地位仍將存在。但是 Si 材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率；較窄的帶隙（1.12 eV）使飽和電子遷移率較低（1450 cm²·V^-1·s^-1），不利于研制高頻和高功率電子器件。

第二代半導(dǎo)體材料以 GaAs 和磷化銦（InP）為代表。GaAs 的電子遷移率是 Si 的 6 倍，具有直接帶隙，故其器件相對硅器件具有高頻、高速的光電性能，是公認(rèn)的通信用半導(dǎo)體材料。同時，GaAs 在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛且不可替代。然而，其禁帶寬度范圍僅涵蓋了 1.35 eV（InP）～2.45 eV（AlP），只能覆蓋波長 506～918 nm 的紅光和更長波長的光，無法滿足中短波長光電器件的需要。由于第二代半導(dǎo)體材料的帶隙較小，擊穿電場較低，極大地限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外由于 GaAs 的毒性可能會引起環(huán)境污染問題，對人類健康存在潛在的威脅。

第三代半導(dǎo)體材料是指 Ⅲ 族氮化物（如氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）等）、碳化硅（SiC）、氧化物半導(dǎo)體（如氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga₂O₃）、鈣鈦礦（CaTiO₃）等）和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料帶隙大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性質(zhì)，因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運行，而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。

GaN 是一種寬帶隙材料，它具有與 SiC 相似的性能優(yōu)勢，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認(rèn)為，在未來數(shù)年間，GaN 功率器件的成本可望壓低到和硅 MOSFET、IGBT 及整流器同等價格。

GaN 電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢，并可與成本極低、技術(shù)成熟度極高的硅基半導(dǎo)體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)、電動機車、工業(yè)電機等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

由于對高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長，使得半導(dǎo)體業(yè)重新考慮半導(dǎo)體所用設(shè)計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷涌現(xiàn)，硅材料已難以維持摩爾定律。GaN 具有獨特的優(yōu)勢，如噪聲系數(shù)優(yōu)良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種領(lǐng)域提供了獨特的應(yīng)用，如軍事、宇航和國防、汽車領(lǐng)域，以及工業(yè)、太陽能、發(fā)電和風(fēng)力等高功率領(lǐng)域。

由于 GaN 光電半導(dǎo)體在軍事、宇航、國防和消費電子的使用，光電半導(dǎo)體成為全球氮化鎵半導(dǎo)體器件市場的主要產(chǎn)品類型，并占據(jù)絕對優(yōu)勢地位。其中功率半導(dǎo)體器件將隨著工業(yè)應(yīng)用對大功率器件需求的增長成為未來增長速度最快的器件。

對于 GaN 的功率器件發(fā)展而言，市場需求牽引力至關(guān)重要。從電源和功率因數(shù)校正（PFC）領(lǐng)域，到不間斷電源（UPS）和馬達(dá)驅(qū)動，很多應(yīng)用領(lǐng)域都將從 GaN-on-Si 功率器件的特性中受益。

再隨著 5G 技術(shù)的逐漸成熟，帶給射頻前端晶片市場商機，未來射頻功率放大器（RF PA）需求將持續(xù)成長，其中傳統(tǒng)金屬氧化半導(dǎo)體（laterally diffused metal oxide semiconductor，LDMOS）制程逐步被 GaN 取代，尤其在 5G 技術(shù)下需要支援更多元件、更高頻率。透過導(dǎo)入新的射頻技術(shù)，RF PA 將以新的制程技術(shù)實現(xiàn)，其中 GaN 的 RF PA 將成為輸出功率 3 W 以上的主流制程技術(shù)，LDMOS 市占率則逐漸降低。

因為 5G 技術(shù)涵蓋毫米波頻率和大規(guī)模多輸出、多輸入（multi-input multi-output，MIMO）天線運用，以實現(xiàn) 5G 無線整合及架構(gòu)上的突破，未來如何大規(guī)模采用 massive-MIMO及毫米波回程系統(tǒng)將是發(fā)展關(guān)鍵。由于 5G 頻率高，因此對于高功率、高性能、高密度的射頻元件需求增加，其中 GaN 符合其條件，即 GaN 市場更具有潛在商機。

GaN 的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與 SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代 GaAs、InP 化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

GaN 是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，是半導(dǎo)體照明中發(fā)光二極管的核心組成部分。GaN 是一種人造材料，自然形成氮化鎵的條件極為苛刻，需要2000℃ 的高溫和近萬個大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮氣合成為 GaN，在自然界是不可能實現(xiàn)的。

大家都知道，第一代半導(dǎo)體材料是 Si，主要解決數(shù)據(jù)運算、存儲的問題；第二代半導(dǎo)體是以 GaAs 為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}；第三代半導(dǎo)體則就是以 GaN 為代表，它在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各大領(lǐng)域。1998年，美國科學(xué)家研制出了首個氮化鎵晶體管。

高性能：主要包括高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕等。目前第一代和第二代半導(dǎo)體材料在輸出功率方面已經(jīng)達(dá)到了極限，而 GaN 半導(dǎo)體由于在熱穩(wěn)定性能方面的優(yōu)勢，很容易就實現(xiàn)高工作脈寬和高工作比，將天線單元級的發(fā)射功率提高 10 倍。

高可靠性：功率器件的壽命與其溫度密切相關(guān)，溫結(jié)越高，壽命越低。GaN 材料具有高溫結(jié)和高熱傳導(dǎo)率等特性，極大地提高了器件在不同溫度下的適應(yīng)性和可靠性。GaN 器件可以用在 650°C 以上的軍用裝備中。

低成本：GaN 半導(dǎo)體的應(yīng)用，能夠有效改善發(fā)射天線的設(shè)計，減少發(fā)射組件的數(shù)目和放大器的級數(shù)等，有效降低成本。目前 GaN 已經(jīng)開始取代 GaAs 作為新型雷達(dá)和干擾機的 T/R（收/發(fā)）模塊電子器件材料。美軍下一代的固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)（AMDR）便采用了 GaN 半導(dǎo)體。氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，使得它成為迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系，并可以成為制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

具有較寬帶隙的 GaN （3.4eV）及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。隨著對 ⅢA 族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作地不斷深入，GaInN 超高度藍(lán)光、綠光 LED 技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍(lán)光 LED 的競爭行列。

① 新型電子器件

GaN 材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE 技術(shù)在 GaN 材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長技術(shù)的突破，成功地生長出了GaN 多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用 GaN 制備出了金屬場效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（HFET)、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的 AlGaN/GaN 結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率（2000 cm²·v^-1·s^-1)、高的飽和速度(1×10⁷ cm·s^-1)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN 較寬的禁帶寬度（3.4 eV）及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

② 光電器件

GaN 材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN 及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié) GaN 藍(lán)色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN 單量子阱 GaNLED 相繼問世。目前，Zcd 和 6cd 單量子阱 GaN 藍(lán)色和綠色 LED 已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，從而填補了市場上藍(lán)色 LED 多年的空白。

藍(lán)色發(fā)光器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印機等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場。隨著對 Ⅲ 族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作的不斷深入，GaInN 超高度藍(lán)光、綠光 LED 技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍(lán)光 LED 的競爭行列。

1993年，Nichia 公司首先研制成發(fā)光亮度超過 1 cd 的高亮度 GaInN/AlGaN 異質(zhì)結(jié)藍(lán)光 LED，使用摻 Zn 的 GaInN 作為有源層，外量子效率達(dá)到 2.7%，峰值波長 450 nm，并實現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為 2.0 mW，亮度為 6 cd 商品化 GaN 綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長為 525 nm，半峰寬為 40 nm。最近，該公司利用其藍(lán)光 LED 和磷光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為 6500 K，效率達(dá) 7.5 Lm/W。除Nichia 公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍(lán)光 LED 產(chǎn)品。高亮度LED的市場預(yù)計將從 1998 年的 3.86 億美元躍升為 2003 年的 10 億美元。高亮度 LED 的應(yīng)用主要包括汽車照明，交通信號和室外路標(biāo)，平板金色顯示，高密度 DVD 存儲，藍(lán)綠光對潛通信等。

在成功開發(fā) ⅢA 族氮化物藍(lán)光 LED 之后，研究的重點開始轉(zhuǎn)向 ⅢA 族氮化物藍(lán)光 LED 器件的開發(fā)。藍(lán)光 LED 在光控測和信息的高密度光存儲等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前 Nichia 公司在 GaN 藍(lán)光 LED 領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，其 GaN 藍(lán)光 LED 室溫下 2 mW 連續(xù)工作的壽命突破 10000 h。HP 公司以藍(lán)寶石為襯底，研制成功光脊波導(dǎo)折射率導(dǎo)引 GaInN/AlGaN 多量子阱藍(lán)光 LED。CreeResearch公司首家報道了 SiC 上制作的 CWRT 藍(lán)光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結(jié)構(gòu)。富士通繼 Nichia，CreeResearch 和索尼等公司之后，宣布研制成了 InGaN 藍(lán)光激光器，該激光器可在室溫下CW應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長的，并且采用了垂直傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)（p 型和 n 型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報道的垂直器件結(jié)構(gòu)的 CW 藍(lán)光激光器。

在探測器方面，已研制出GaN紫外探測器，波長為 369 nm，其響應(yīng)速度與 Si 探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN 探測器將在火焰探測、導(dǎo)彈預(yù)警等方面有重要應(yīng)用。

GaN 寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領(lǐng)域發(fā)展方向，材料和工藝都存在許多問題有待解決，即使這些問題都得到解決，它們的價格肯定還是比硅基貴。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應(yīng)用，與硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一樣，SiC 和 GaN 寬禁帶電力電子器件在將來也不太可能全面取代硅功率 MOSFET、IGBT和 GTO（包括 IGCT）。SiC 電力電子器件將主要用于 1200 V 以上的高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；GaN電力電子器件將主要用于 900 V 以下的消費電子、計算機/服務(wù)器電源應(yīng)用領(lǐng)域。

GaN 作為第三代半導(dǎo)體材料，其性質(zhì)決定了將更適合 5G 等技術(shù)的應(yīng)用。從現(xiàn)在的市場狀況來看，GaAs仍然是手機終端 PA 和 LNA 等的主流，而 LDMOS 則處于基站 RF 的霸主地位。但是，伴隨著 Si 材料和 GaAs 材料在性能上逐步達(dá)到極限，我們預(yù)計 GaN 半導(dǎo)體將會越來越多的應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域中。

第三代半導(dǎo)體射頻電子器件在民用和軍用領(lǐng)域都已實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。尤其是，由于具備高頻、高功率、大帶寬的性能優(yōu)勢，氮化鎵射頻電子器件和模塊在 5G 移動通信基站建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用，我國 5G 建設(shè)提速，將觸發(fā)對氮化鎵射頻電子器件需求的快速增長。