半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展史

在材料領(lǐng)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(huì)把氮化鎵、碳化硅等材料叫做寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體、或者把氮化鎵、砷化鎵、磷化銦成為III-V族半導(dǎo)體。我國采用的第三代半導(dǎo)體材料的說法是與人類歷史上的由半導(dǎo)體材料大規(guī)模應(yīng)用帶來的三次產(chǎn)業(yè)革命相對(duì)應(yīng)。目前，第三代半導(dǎo)體正在高速發(fā)展，第一、二代半導(dǎo)體也仍在產(chǎn)業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，發(fā)揮第三代半導(dǎo)體無法替代的作用。 那么第三代半導(dǎo)體相較第一代、第二代有哪些進(jìn)步？這三代半導(dǎo)體之間有什么技術(shù)區(qū)別？為何氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)在第三代半導(dǎo)體中備受追捧？

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　　一、二、三代半導(dǎo)體什么區(qū)別？

　　一、材料

　　第一代半導(dǎo)體材料，發(fā)明并實(shí)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)。我們的CPU、GPU的算力，都離不開硅的功勞。第二代半導(dǎo)體材料，發(fā)明并實(shí)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(yīng)用廣泛……而第三代半導(dǎo)體，發(fā)明并實(shí)用于本世紀(jì)初年，涌現(xiàn)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(dǎo)體材料，因此也被成為寬禁帶半導(dǎo)體材料。

　　二、帶隙

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

　　三、應(yīng)用

　　第一代半導(dǎo)體材料主要用于分立器件和芯片制造；第二代半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)航等領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)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(yīng)用于半導(dǎo)體照明、5G通信、衛(wèi)星通信、光通信、電力電子、航空航天等領(lǐng)域。

　　第三代半導(dǎo)體材料已被認(rèn)為是當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力。以第三代半導(dǎo)體的典型代表碳化硅（SiC）為例，碳化硅具有高臨界磁場(chǎng)、高電子飽和速度與極高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，使得其器件適用于高頻高溫的應(yīng)用場(chǎng)景，相較于硅器件，碳化硅器件可以顯著降低開關(guān)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(wǎng)、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(chǎng)、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點(diǎn)，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領(lǐng)域的應(yīng)用。 第三代半導(dǎo)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(dǎo)體可以降低50%以上的能量損失，同時(shí)使裝備體積減小75%以上。第三代半導(dǎo)體屬于后摩爾定律概念，制程和設(shè)備要求相對(duì)不高，難點(diǎn)在于第三代半導(dǎo)體材料的制備，同時(shí)在設(shè)計(jì)上要有優(yōu)勢(shì)。

　　第三代半導(dǎo)體現(xiàn)狀

　　由于制造設(shè)備、制造工藝以及成本的劣勢(shì)，多年來第三代半導(dǎo)體材料只是在小范圍內(nèi)應(yīng)用，無法挑戰(zhàn)硅基半導(dǎo)體的統(tǒng)治地位。目前碳化硅襯底技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)4英寸量產(chǎn)，6英寸的研發(fā)也已經(jīng)完成。氮化鎵（GaN）制備技術(shù)仍有待提升，國內(nèi)企業(yè)目前可以小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備了4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出6英寸樣品。

　　第三代半導(dǎo)體的機(jī)遇

　　在5G和新能源汽車等新市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體材料有望迎來加速發(fā)展。硅基半導(dǎo)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(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)被放大。 另外，制備技術(shù)的進(jìn)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(jià)比優(yōu)勢(shì)將充分顯現(xiàn)。初步判斷，第三代半導(dǎo)體未來的核心增長(zhǎng)點(diǎn)將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域

　　第三代半導(dǎo)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(yīng)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(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)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(dǎo)體特性的主要應(yīng)用領(lǐng)域。 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：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(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素。 5G基站會(huì)用到多發(fā)多收天線陣列方案，GaN射頻器件對(duì)于整個(gè)天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進(jìn)。在高功率，高頻率射頻應(yīng)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(yīng)用于從微波爐到高功率焊接機(jī)等消費(fèi)電子和工業(yè)領(lǐng)域。 2017年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為327億美元，預(yù)計(jì)到2022年達(dá)到426億美元。工業(yè)、汽車、無線通訊和消費(fèi)電子是前四大終端市場(chǎng)。

　　第三代半導(dǎo)體-碳化硅（SiC）

　　SiC從上世紀(jì)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(zhuǎn)換中的開關(guān)損耗，因此具有更好的能源轉(zhuǎn)換效率，更容易實(shí)現(xiàn)模塊的小型化，更耐高溫。 SiC功率器件的主要應(yīng)用：智能電網(wǎng)、交通、新能源汽車、光伏、風(fēng)電；新能源汽車是SiC功率器件市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素。目前SiC器件在新能源車上應(yīng)用主要是功率控制單元（PCU）、逆變器，DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面。 2017年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)總額達(dá)3.99億美元。預(yù)計(jì)到2023年，SiC功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)總額將達(dá)16.44億美元。

　　審核編輯：黃飛