趣科技 | 第三代半導(dǎo)體材料：初出茅廬卻要把前輩全面取代

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第一代半導(dǎo)體材料是元素半導(dǎo)體的天下，而第二、三代半導(dǎo)體材料便成化合物的天下，這其中經(jīng)歷了什么故事？而我國(guó)憋足大招準(zhǔn)備在第三半導(dǎo)體材料方面彎道超車是否現(xiàn)實(shí)？

本期《趣科技》就來(lái)講講半導(dǎo)體材料的故事，從第一、二代走過(guò)，第三代半導(dǎo)體材料將講述怎樣的未來(lái)。

第一代半導(dǎo)體材料
20 世紀(jì) 50 年代，鍺（Ge）站在光鮮的舞臺(tái)上，應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測(cè)器中，但鍺半導(dǎo)體器件在耐高溫與抗輻射方面卻存在大大的短板，所以在 60 年代便把主導(dǎo)地位讓給了硅。含量豐富、絕緣性好、提純結(jié)晶簡(jiǎn)單，硅是至今應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)運(yùn)算等領(lǐng)域。

第二代半導(dǎo)體材料
隨著科技需求的日益增加，硅傳輸速度慢、功能單一的不足便暴露了出來(lái)，于是化合物半導(dǎo)體材料應(yīng)運(yùn)而生。20 世紀(jì) 90 年代，搭上移動(dòng)通信、光纖通信的順風(fēng)車，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料逐漸登上舞臺(tái)，其中以砷化鎵技術(shù)最為成熟。適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，比如衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信、GPS 導(dǎo)航等。

第三代半導(dǎo)體材料
然而隨著半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，特別是特殊場(chǎng)合要求半導(dǎo)體能夠在高溫、強(qiáng)輻射、大功率等環(huán)境下依然堅(jiān)挺，第一、二代半導(dǎo)體材料便無(wú)能為力，于是第三代半導(dǎo)體材料——寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于 2.2ev）成為被關(guān)注的重點(diǎn)，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAS）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN），較為成熟的是碳化硅和氮化鎵被稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁的研究尚屬起步階段。

第三代半導(dǎo)體材料的崛起還有另外一個(gè)契機(jī)，半導(dǎo)體材料在生產(chǎn)中的主要污染物有 GaAs、Ga3+、In3+等，而隨著環(huán)保綠色概念的推廣，人們?cè)噲D找尋一種既能滿足產(chǎn)品需求，又能不污染環(huán)境的新型半導(dǎo)體材料，于是目光投向了有機(jī)半導(dǎo)體（在半導(dǎo)體材料中滲入有機(jī)材料如 C 和 N），GaN、SiC 成為新星。

如今，以第三代半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的新興技術(shù)正迅速崛起，搶占第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)的高地也愈發(fā)激烈。第三代半導(dǎo)體材料為何如此耀眼，又將掀起一場(chǎng)怎樣的技術(shù)革命呢？

材料特性
第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強(qiáng)的等優(yōu)點(diǎn)。第三代半導(dǎo)體材料還具有發(fā)光效率高、頻率高等特點(diǎn)，從而在一些藍(lán)、綠、紫光的發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等方面有著廣泛的應(yīng)用，且在躍遷時(shí)放出光子的能量高，因此會(huì)有較高的光發(fā)射效率，光子發(fā)射的頻率也較高。

下圖為第一、二、三代主要半導(dǎo)體材料的基本性能對(duì)比。

SiC 是一種天然超晶格，又是一種典型的同志多型體。由于 Si 與 C 雙原子層堆積序列的差異會(huì)導(dǎo)致不同的晶體結(jié)構(gòu)，因此 SiC 有著超過(guò) 200 種（目前已知）同質(zhì)多型族，最被人熟知的便是立方密排的 3C-SiC 和六方密排的 2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。

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4H-SiC 與 6H-SiC 的帶隙是 Si 的 3 倍、是 GaAs 的兩倍；擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高于 Si 一個(gè)數(shù)量級(jí)；飽和電子漂移速度是 Si 的 2.5 倍。

GaN 是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)(約為 1700℃)材料，GaN 晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，原子體積大約為 GaAs 的一半。GaN 受青睞的主要原因是它是寬禁帶與硅或者其他三五價(jià)器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高。與硅器件相比，GaN 在電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度上實(shí)現(xiàn)了性能的飛躍。

AlN 具有寬禁帶(6.2eV)，高熱導(dǎo)率(3.3W/cm?K)，且與 AlGaN 層晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配都更好，所以 AlN 是制作先進(jìn)高功率發(fā)光器件(LED，LD)、紫外探測(cè)器以及高功率高頻電子器件的理想襯底材料。

金剛石是已知材料中硬度最高的，禁帶寬度大(5.5eV)，集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料。

應(yīng)用領(lǐng)域
第 3 代半導(dǎo)體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術(shù)的革命，無(wú)論是照明、家用電器、消費(fèi)電子設(shè)備、新能源汽車、智能電網(wǎng)、還是軍工用品，都對(duì)第三代半導(dǎo)體材料有著巨大需求。主要應(yīng)用在半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器以及其他領(lǐng)域。

SiC
4H-SiC 特別適用于微電子領(lǐng)域，用于制備高頻、高溫、大功率器件；6H-SiC 特別適用于光電子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。隨著 SiC 生產(chǎn)成本的降低，SiC 半導(dǎo)體正逐步取代 Si，為 Si 遇到的瓶頸所擔(dān)憂的日子也將結(jié)束。

1. SiC 材料應(yīng)用在高鐵領(lǐng)域，可節(jié)能 20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積；
2. SiC 材料應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，可降低能耗 20%；
3. SiC 材料應(yīng)用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能 50%；
4. SiC 材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率 20%；
5. SiC 材料應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失 25%以上；
6. SiC 材料應(yīng)用在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，可節(jié)能 30%-50%；
7. SiC 材料應(yīng)用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，可使電力損失降低 60%，同時(shí)供電效率提高 40%以上；
8. SiC 材料應(yīng)用在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低；
9. SiC 材料應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可顯著提高信號(hào)的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性；
10. SiC 材料可使航空航天領(lǐng)域，可使設(shè)備的損耗減小 30%-50%，工作頻率提高 3 倍，電感電容體積縮小 3 倍，散熱器重量大幅降低。

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GaN
以 GaN 等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正(PFC)、軟開(kāi)關(guān) DC-DC 等電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源適配器、光伏逆變器或太陽(yáng)能逆變器、服務(wù)器及通信電源等終端領(lǐng)域，在高亮度 LED 以及無(wú)線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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競(jìng)爭(zhēng)格局
SiC
SiC 基本形成了美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立的局面，可實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶拋光片的公司主要為美國(guó)的 Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的 Nippon、Sixon，芬蘭的 Okmetic，德國(guó)的 SiCrystal。

Cree 與 SiCrystal 公司占據(jù)超過(guò) 85%的市場(chǎng)份額。美國(guó) Cree 被認(rèn)為是此領(lǐng)域的老大，其碳化硅單晶材料的技術(shù)水平代表著國(guó)際先進(jìn)水平，專家預(yù)測(cè)在未來(lái)的幾年里 Cree 還將在碳化硅襯底市場(chǎng)上獨(dú)占鰲頭。

GaN
國(guó)外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，美國(guó)、日本和歐洲在氮化鎵體單晶材料研究方面都取得了一定的成果，其中以美國(guó)、日本的研究水平最高。部分公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氮化鎵體單晶襯底的商品化，技術(shù)趨于成熟，下一步的發(fā)展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料。

美國(guó)一直處于領(lǐng)先地位，先后有 TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI 等公司成功生產(chǎn)出氮化鎵單晶襯底。

日本住友電工(SEI)和日立電線(HitachiCable)已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)氮化鎵襯底，日亞(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、東芝(Toshiba)等正開(kāi)展了相關(guān)研究。

歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的 Top-GaN 與法國(guó)的 Lumilog。

AlN
AlN 單晶材料發(fā)，美國(guó)、日本的發(fā)展水平最高。美國(guó)的 TDI 公司是目前完全掌握 HVPE 法制備 AlN 基片技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的唯一單位。日本的在 AlN 方面的研究單位主要包括東京農(nóng)工大學(xué)、三重大學(xué)、NGK 公司、名城大學(xué)，已經(jīng)有研究成果但還未形成成熟的產(chǎn)品。俄羅斯的約菲所、瑞典的林雪平大學(xué)在此 AlN 方面也有一定的研究水平,俄羅斯 NitrideCrystal 公司也已經(jīng)研制出直徑達(dá)到 15mm 的 PVTAlN 單晶樣品。

ZnO
在 ZnO 材料上日、美、韓等發(fā)達(dá)國(guó)家已投入巨資進(jìn)行研發(fā)，日本已生長(zhǎng)出直徑達(dá) 2 英寸的高質(zhì)量 ZnO 單晶。我國(guó)在此方面也有所建樹(shù)有，采用 CVT 法已生長(zhǎng)出了直徑 32mm 和直徑 45mm、4mm 厚的 ZnO 單晶。

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第三代半導(dǎo)體材料的大好前程
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代半導(dǎo)體材料，但是第一代與第二代半導(dǎo)體材料仍在廣泛使用。為什么第二代的出現(xiàn)沒(méi)有取代第一代呢？第三代半導(dǎo)體是否可以全面取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料呢？

Si 和第二代半導(dǎo)體是兩種互補(bǔ)的材料，第二代半導(dǎo)體的某些性能優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了 Si 晶體的缺點(diǎn)，而 Si 晶體的生產(chǎn)工藝又明顯的有不可取代的優(yōu)勢(shì)，且兩者在應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的局限性，因此在半導(dǎo)體的應(yīng)用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優(yōu)點(diǎn)，從而生產(chǎn)出符合更高要求的產(chǎn)品，如高可靠、高速度的國(guó)防軍事產(chǎn)品。因此第一、二代是一種長(zhǎng)期共同的狀態(tài)。

但是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，消費(fèi)電子、照明、新能源汽車、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場(chǎng)看好的同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料。

我國(guó)在第三半導(dǎo)體材料上的起步比較晚，且相對(duì)國(guó)外的技術(shù)水平較低。這是一次彎道超車的機(jī)會(huì)，但是我國(guó)需要面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)還是很多的。

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