第三代半導體的材料特性

與第一二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力（圖2），更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦被稱為高溫半導體材料。從目前第三代半導體材料和器件的研究來看，較為成熟的是SiC和GaN半導體材料，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）——并稱為第三代半導體材料的雙雄。

圖2第三代半導體的材料特性

相對于Si，SiC的優(yōu)點很多：有10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點，用SiC制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應用市場。42GHz頻率的SiCMESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統(tǒng)中，用SiC作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示屏的關鍵器件。

在碳化硅SiC中摻雜氮或磷可以形成n型半導體，而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成p型半導體。在碳化硅中大量摻雜硼、鋁或氮可以使摻雜后的碳化硅具備數(shù)量級可與金屬比擬的導電率。摻雜Al的3C-SiC、摻雜B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的溫度下?lián)碛谐瑢裕珦诫sAl和B的碳化硅兩者的磁場行為有明顯區(qū)別。摻雜鋁的碳化硅和摻雜B的晶體硅一樣都是II型半導體，但摻雜硼的碳化硅則是I型半導體。

氮化鎵（GaN、Galliumnitride）是氮和鎵的化合物，此化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。作為時下新興的半導體工藝技術，提供超越硅的多種優(yōu)勢。與硅器件相比，GaN在電源轉換效率和功率密度上實現(xiàn)了性能的飛躍。

GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度、更高的工作溫度。氮化鎵的能隙很寬，為3.4eV，廣泛應用于功率因數(shù)校正（PFC）、軟開關DCDC等電源系統(tǒng)設計，以及電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務器及通信電源等終端領域。

GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。

GaN的電學特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的p型樣品，都是高補償?shù)摹?/p>

圖3顯示Si、SiC、GaN半導體的特性對比

第三代半導體材料性能及應用

半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段，第一代半導體材料以硅（Si）為代表。第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）也已經(jīng)廣泛應用。而以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶為代表的第三代半導體材料，相較前兩代產(chǎn)品，性能優(yōu)勢顯著并受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評。 第三代半導體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點， 因此也被業(yè)內(nèi)譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機”。發(fā)展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些參數(shù)如下圖所示：

可見，SiC和GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs，相應的本征載流子濃度小于Si和GaAs，寬禁帶半導體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大于Si和GaAs。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力， 非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

產(chǎn)品被市場所接受，價格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑，但成本還是比硅產(chǎn)品高，在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下，大約會比硅產(chǎn)品貴5~6倍，因此，現(xiàn)階段只能從要求高性能、且對價格不是很敏感的應用開始來取代硅產(chǎn)品，例如汽車、汽車充電樁、太陽能等。要取代硅制產(chǎn)品，SiC還是有很大的發(fā)展空間的。當SiC的成本能降到硅的2~3倍的時候，應該會形成很大的市場規(guī)模。到2020年，EV汽車大規(guī)模推出的時候，SiC市場會有爆發(fā)式的增長。

在應用方面，根據(jù)第三代半導體的發(fā)展情況， 其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域， 每個領域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同，如下圖所示。在前沿研究領域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發(fā)階段。

第三代半導體材料優(yōu)勢明顯

回顧半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，其先后經(jīng)歷了以硅（Si）為代表的第一代半導體材料，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料，在上個世紀，這兩代半導體材料為工業(yè)進步、社會發(fā)展做出了巨大貢獻。而如今，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅、金剛石、氮化鋁為代表的寬禁帶半導體材料被統(tǒng)稱為第三代半導體材料。

作為一類新型寬禁帶半導體材料，第三代半導體材料在許多應用領域擁有前兩代半導體材料無法比擬的優(yōu)點：如具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機”。

從應用范圍來說，第三代半導體領域還具有學科交叉性強、應用領域廣、產(chǎn)業(yè)關聯(lián)性大等特點。在半導體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域擁有廣闊的應用前景，是支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點新材料。

作為新一代半導體照明的關鍵器件，第三代半導體材料還具有廣泛的基礎性和重要的引領性。從目前第三代半導體材料和器件的研究來看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導體材料，也是最具有發(fā)展前景的兩種材料。

與第一代半導體材料硅相比，碳化硅有諸多優(yōu)點：有高10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點，使其小至LED照明、家用電器、新能源汽車，大至軌道交通、智能電網(wǎng)、軍工航天都具備優(yōu)勢，所以碳化硅市場被各產(chǎn)業(yè)界頗為看好。

而氮化鎵直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點則使其擁有更快的研發(fā)速度。兩者的不同優(yōu)勢決定了應用范圍上的差異，在光電領域，氮化鎵占絕對的主導地位，而在其他功率器件領域，碳化硅適用于1200V以上的高溫大電力領域，GaN則更適用900V以下的高頻小電力領域。可謂各有優(yōu)勢。

我國第三代半導體材料發(fā)展面臨的機遇挑戰(zhàn)

在巨大優(yōu)勢和光明前景的刺激下，目前全球各國均在加大馬力布局第三代半導體領域，但我國在寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)化方面進度還比較緩慢，寬禁帶半導體技術亟待突破。

“最大的瓶頸是原材料。”中科院半導體研究所研究員、中國電子學會半導體與集成技術分會秘書長王曉亮認為，我國原材料的質(zhì)量、制備問題亟待破解。此外，湖南大學應用物理系副教授曾健平也表示，目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，大多數(shù)設備靠國外進口。

“國內(nèi)開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內(nèi)第三代半導體研究進展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。”國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟一專家表示，國內(nèi)新材料領域的科研院所和相關生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱。

原始創(chuàng)新即從無到有的創(chuàng)新過程，其特點是投入大、周期長。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。然而生長SiC晶體難度很大，雖然經(jīng)過了數(shù)十年的研究發(fā)展，到目前為止仍只有美國的Cree公司、德國的SiCrystal公司和日本的新日鐵公司等少數(shù)幾家公司掌握了SiC的生長技術，能夠生產(chǎn)出較好的產(chǎn)品，但離真正的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用也還有較大的距離。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱，是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大桎梏。

“第三代半導體對我們國家未來產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生非常大的影響，其應用技術的研究比較關鍵，若相關配套技術及產(chǎn)品跟不上，第三代半導體的材料及器件的作用和效率可能會發(fā)揮不好，所以要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。”中興通訊副總裁晏文德表示。

是機遇也是挑戰(zhàn)。未來，我國第三代半導體產(chǎn)業(yè)將面臨許許多多的難題。就像北京大學寬禁帶半導體研發(fā)中心沈波教授所說，當前我國發(fā)展第三代半導體面臨的機遇非常好，因為過去十年，在半導體照明的驅(qū)動下，氮化鎵無論是材料和器件成熟度都已經(jīng)大大提高，但第三代半導體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長的路要走，市場和產(chǎn)業(yè)剛剛啟動，我們還面臨巨大挑戰(zhàn)，必須共同努力。