簡述第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展概要

一、什么是第三代半導(dǎo)體

所謂第三代半導(dǎo)體材料是以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)為代表(還包括ZnO氧化鋅、GaO氧化鎵、金剛石等)的化合物半導(dǎo)體。與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

二、不同半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

第一代半導(dǎo)體材料發(fā)明并使用于20世紀(jì)50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是硅，構(gòu)成了一切邏輯器件的基礎(chǔ)，目前全球95%以上的半導(dǎo)體芯片和器件是用硅作為基礎(chǔ)材料生產(chǎn)的，硅基器件很好的解決了電能的轉(zhuǎn)換和控制。主要應(yīng)用于制作集成電路的晶圓片和功率器件，如電腦的CPU、GPU、內(nèi)存、手機(jī)的SoC等，主要用來解決數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲等問題；

第二代半導(dǎo)體材料發(fā)明并使用于20世紀(jì)80年代，主要是指化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主要代表。4G時(shí)代大部分通信設(shè)備都是砷化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域。不過由于資源稀缺、大尺寸制備困難、價(jià)格貴等原因，尤其是砷有毒性、污染環(huán)境，第二代半導(dǎo)體材料應(yīng)用受到很大局限。主要應(yīng)用于微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光器和衛(wèi)星導(dǎo)航等行業(yè)，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}；

第三代半導(dǎo)體是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（禁帶寬度Eg>2.3eV）的半導(dǎo)體材料。其中又以SiC和GaN為最核心的材料。SiC擁有更高的熱導(dǎo)率和更成熟的技術(shù)，而GaN具有直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點(diǎn)則使其擁有更快的研發(fā)進(jìn)度。兩者的不同優(yōu)勢決定了應(yīng)用范圍上的差異，在光電領(lǐng)域，GaN占絕對的主導(dǎo)地位，而在其他功率器件領(lǐng)域SiC則更有優(yōu)勢。SiC材料適合制造高溫、高壓、大功率器件，而GaN材料則更適用于制造高頻、中小功率器件。

三、不同半導(dǎo)體材料之間的主要區(qū)別

不同半導(dǎo)體材料之間的主要區(qū)別就在于禁帶寬度。所謂的禁帶寬度(Band gap)是指一個(gè)帶隙寬度(單位是電子伏特(ev))。固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導(dǎo)電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶(能導(dǎo)電)，自由空穴存在的能帶稱為價(jià)帶(也能導(dǎo)電)。被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。

現(xiàn)代物理學(xué)描述材料導(dǎo)電特性的主流理論是能帶理論。能帶理論認(rèn)為晶體中電子的能級可劃分為導(dǎo)帶和價(jià)帶，價(jià)帶被電子填滿且導(dǎo)帶上無電子時(shí)，晶體不導(dǎo)電。當(dāng)晶體受到外界能量激發(fā)(如高壓)，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，晶體導(dǎo)電，此時(shí)晶體被擊穿，器件失效，禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力。第三代半導(dǎo)體的禁帶寬度是第一代和第二代半導(dǎo)體禁帶寬度的近3倍，具有更強(qiáng)的耐高壓、高功率能力。

第三代半導(dǎo)體材料制造的器件能量密度更高。以氮化鎵為例，其形成的HEMT器件結(jié)構(gòu)中，其能量密度約為5-8W/mm，遠(yuǎn)高于硅基MOS器件和砷化鎵射頻器件的0.5-1W/mm的能量密度，器件可承受更高的功率和電壓，在承受相同的功率和電壓時(shí)，器件體積可變得更小。

硅基因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，自然界儲備量大，制備相對容易，技術(shù)比較成熟，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體的各個(gè)領(lǐng)域。但在高耐壓、高功率、高頻率的分立器件領(lǐng)域，硅基器件因其帶隙窄，較低的熱導(dǎo)率和較低的擊穿電壓限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用，因而發(fā)展出寬禁帶、耐高壓、高熱導(dǎo)率、高頻率的第三代半導(dǎo)體材料的器件。

第三代半導(dǎo)體材料主要有三個(gè)優(yōu)勢：

        一是速度更快，有助于提高芯片性能。

第三代半導(dǎo)體采用寬禁帶材料，關(guān)斷時(shí)候的漏電電流更小，導(dǎo)通時(shí)候的導(dǎo)通阻抗更小，且寄生電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅工藝材料，所以芯片運(yùn)行速度更快，功耗消耗更低，待機(jī)時(shí)間更長。第三代半導(dǎo)體可以用較大的工藝節(jié)點(diǎn)達(dá)到硅材料先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的部分性能。

二是能量轉(zhuǎn)換效率高，功率損耗小。

以新能源汽車為例，相比用傳統(tǒng)硅芯片（如IGBT）驅(qū)動的電動汽車，用第三代半導(dǎo)體材料芯片驅(qū)動的新能源汽車的能量耗損低5倍左右，由此大幅增加續(xù)航里程。從節(jié)能的角度考慮，一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房一年的耗電相當(dāng)于一個(gè)中等城市的用電量，如果采用第三代半導(dǎo)體芯片來控制電源，相比傳統(tǒng)的硅芯片，將能省下大量電力。

三是可以承受更大的功率和更高的電壓。

第三代半導(dǎo)體可大幅提高產(chǎn)品的功率密度，適應(yīng)更高功率、更高電壓、更大電流的未來電動車的需要。基于上述優(yōu)點(diǎn)，新能源汽車、5G、人工智能及超大數(shù)據(jù)中心等新應(yīng)用場景的打開，將給第三代半導(dǎo)體帶來巨大的發(fā)展空間，催生上萬億元的潛在市場。更為重要的是，第三代半導(dǎo)體未來將在幫助人類普及新興能源、發(fā)展清潔能源、實(shí)現(xiàn)碳中和這一目標(biāo)中發(fā)揮重大作用。

由于氮化鎵（GaN）是一種禁帶寬度大（Eg值為3.4eV）、飽和擊穿電場高、載流子遷移率高、且質(zhì)地堅(jiān)硬高熔點(diǎn)（熔點(diǎn)為1700℃）的化合物材料，從而使得氮化鎵基器件具有開關(guān)速率高、電阻低、抗擊穿能力強(qiáng)和耐高溫等優(yōu)勢，這些特性使得氮化鎵器件在電力電子領(lǐng)域特別是PD充電器行業(yè)大放異彩。使用GaN器件的充電器與傳統(tǒng)的使用硅基器件的充電器比較，具有更小的體積，更快的運(yùn)行速度，更高的效率以及更低的損耗，使其擁有更大的市場競爭力。

氮化鎵的應(yīng)用：

氮化鎵通常用于微波射頻、電力電子和光電子三大領(lǐng)域。具體而言，微波射頻方向包含了5G通信、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等應(yīng)用；電力電子方向包括了智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源汽車、PD快充、消費(fèi)電子等應(yīng)用；光電子方向包括了 LED、激光器、光電探測器等應(yīng)用。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為襯底材料的制備、外延層的生長和器件制造等三個(gè)環(huán)節(jié)。目前，碳化硅單晶襯底材料的制備通常采用物理氣相傳輸法（PVT法），襯底上外延的生成使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法），然后再在外延上進(jìn)行器件制造。

碳化硅襯底的劃分：

半絕緣型碳化硅襯底：指電阻率高于105Ω.cm的碳化硅襯底，其主要用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件，我國大力發(fā)展的5G通訊技術(shù)推動了碳化硅襯底需求的進(jìn)一步釋放。

導(dǎo)電型碳化硅襯底：指電阻率在15~30mΩ.cm的碳化硅襯底。由導(dǎo)電型碳

化硅襯底生長出的碳化硅外延片可進(jìn)一步制成功率器件，功率器件是電力電子變換裝置的核心器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。

1、射頻器件：射頻器件是在無線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時(shí)具備碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。

2、新能源汽車：電動汽車系統(tǒng)涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件有電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、車載DC/DC及非車載充電樁。其中電動車逆變器市場碳化硅功率器件應(yīng)用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、充電更快、續(xù)航里程更長。

3、光伏發(fā)電：目前，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件?？蛇M(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率、明顯降低能量損耗、大幅提升設(shè)備循環(huán)壽命，具備成本低、高效能的優(yōu)勢。

4、智能電網(wǎng)：國家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對碳化硅功率器件具有重大需求。它在智能電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場景包括：高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。碳化硅器件突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等特有優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔***流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動智能電網(wǎng)的變革和發(fā)展。

5、軌道交通：軌道交通對其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等裝置的性能提出更好的要求,采用碳化硅功率器件可幫其實(shí)現(xiàn)提升。碳化硅功率器件可大幅提高這些電力電子裝置的功率密度和工作效率,有利于減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。

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