宽禁带半导体应用领域,第三代宽禁带半导体材料与器件

【半导体新闻网】2020年9月27日，近日，第三代半导体产业将写入“十二五”规划的消息在互联网上传开。 第三代半导体主要是指氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽带隙半导体，它们通常具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、高饱和电子速度、高电子密度、耐大功率等特点

但是，很多人很容易被误解为“第三代”半导体这个名字。

赛道不同

第一代、第二代、第三代半导体之间在应用场景上存在差异。 以硅(Si )、锗(Ge )为代表的第一代半导体应用场景非常广泛，可以制作尖端的CPU、GPU、存储芯片，甚至各种充电器中的功率器件。 虽然在某些领域表现很差，但性价比有助于占据市场。 第二代半导体以砷化镓(GaAs )、锑化铟(InSb )、磷化铟(InP )为首，主要应用领域为光电子、微电子、微波功率器件等。 第三代半导体以碳化硅(SiC )、氮化镓)、氧化锌)、金刚石为代表，主要应用领域为功率器件、光电子、射频。

第三代半导体与第二代、第一代之间不是迭代关系，它们的应用场景虽然交叉，但并不完全重叠。

举个例子，像硅这样的第一代半导体就像是高中生，像氮化镓这样的第三代半导体就像hsjdyl。 高中的学生主要练习田径，而hsjdyl在练习游泳。

每年学校举行运动会。 在hsjdyl到来之前，运动会的所有项目(包括游泳)都将由高级学生参加。 高年级学生曾练习田径，因为身体质量好，也可以参加其他类型的比赛。

现在，游泳专业的hsjdyl来了。 hsjdyl的游泳速度比高中学生快了很多，但是hsjdyl田径比赛很差。 因此，之后的部分游泳比赛逐渐交给hsjdyl参加，高年级学生也集中在田径运动上。

渐渐地，hsjdyl在游泳领域获得了很多奖项，高年级学生这样评价。 “是的，我很好！ ’即使所有游泳比赛都交给hsjdyl参加，在学校运动会上大多数比赛项目都是田径比赛，游泳比赛只占一小部分。 所以，在这种情况下，高年级学生还是你们的老大哥。

第三代半导体有擅长的领域，在自己的应用领域性能超过硅、锗等传统半导体材料，但在领域是硅的天下。

什么是半导体？

有些人看到这个问题后可能会觉得答案很简单。 半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。 电阻率高的东西几乎不导电的是绝缘体，电阻率低的东西容易导电的是导体。

以上理解没有错，但是如果想研究半导体材料的话，上述理解是完全不够的。 如何看待电阻率高的金刚石被列为第三代“半导体”材料，以及关于“超导金刚石”的研究？ 显然，理解这些问题需要更深入的理论。

有理论就能很好地解决这些问题。

你知道，电子绕着原子核旋转。 如上图所示。 其中2p、3s等是电子的轨道。 电子在不同的轨道上具有不同的能量，这些能量值就是能级。

现实中一个原子几乎不单独存在，大多是原子堆聚集在一起。

当多个原子排列在一起时，一个电子受到其他原子的影响，这些原子的电子轨道(量子状态)重叠，电子可以通过重叠从一个原子移动到另一个原子。 他说，既然电子可以从一个原子移动到另一个原子，也可以继续移动到下一个原子，所以这样电子就可以在整个晶体中运动。 这个运动被称为共享化运动。

从北京地铁官网上剪下的

举个普通的例子，我们都像电子，这些轨道像地铁线路。 这些地铁线路有重叠的地方，有些重叠的地方被设置为换乘站，可以从一条线路换乘到另一条线路。 由于换乘路线的存在，我们可以通过换乘方式到达地铁路线的任何站点。 电子的共享化运动也是一样。

因为在其他原子的影响下能级分裂为能带。 当原子周期性排列，晶体相互接近时，各自的能级大多分裂成相互接近的能级，形成能带。

其中内层电子共价运动弱，能级分裂小，能带窄； 外滩电子共享化运动明显，具有能量带宽。

在拥有知识的基础上，看看这张图吧。 图中：

价带： 0K条件下被电子填充能量最高的带

导带： 0K条件下未填充电子的能量最低的带

禁带：导带底和价带顶之间的能带

带隙(禁带宽度)导带底与价带顶之间的能量差

从这张图中可以看出，半导体和绝缘体之间差异最大的是禁带宽度，第三代半导体概念中的宽带隙半导体中，“宽带隙”的禁带宽度比较宽。

举个例子，例如在跨栏运动中栅栏的高度约为1米，厚度也很小。 所以选手很容易就能跨越。 但是，如果把扶手改成3米高的砖墙，厚度也会增加很多，选手很难跨越。

半导体和绝缘体也是如此，半导体的禁带就像标准的扶手，电子比较容易被克服，绝对

值得说明的一点是，禁带宽度不是永恒不变的。比如同一种材料在不同温度下的禁带宽度是不一样的。而且可以通过掺杂等方式改变禁带宽度。

前文简单介绍了什么是半导体，那么现在来说什么是半导体的职责。

引用莎士比亚的话来说就是：To be or not to be,that's a question.翻译成北京话就是：这么着儿，还是那么着儿。具体来说就是一个好的半导体一定要是一个可以选择的状态，比如我给它加电压，它就导通（这么着儿），我不给它加电压，它就应该关闭（那么着儿）。同理如果我给它加电压它导通（这么着儿），我不给它加电压它还这么着儿（导通），那这就是个导体。如果我不给它加电压它关闭，当我给它加电压它还这么着儿（关闭），那它就是个绝缘体。

宽禁带的优势

第三代半导体主要是指宽禁带半导体，那么这个“宽禁带”到底怎样带来性能优势呢？

大家都知道电子的定向移动形成电流，继续之前的举例，电子这位“运动员”只需要跨过栏架或者高墙就完成工作了。但是电子跨过护栏和高墙都需要一些力气，这种时候如果有人能扶他一下就会很省力了。这些帮助者可以是光照或者外加电压，为其提供能量。

前文已经介绍了半导体的职责，那么现在就是如果选择“To be or not to be”的交界线了，在例子中这个交界线就是障碍物的高度和厚度，也就是实际中的禁带宽度。所以针对应用选择一个合适的“禁带宽度”材料就很重要了。

以金刚石为例，金刚石的禁带宽度达5.5eV，远大于Ge（0.67eV）、Si（1.12eV）和GaAs（1.43ev）等常规材料，这不仅保证了金刚石器件能在700-1000度下安全工作，有良好的抗辐射加固能力，而且大大提高了器件的雪崩击穿电压压。

另外禁带宽度也与场效应管的沟道导通电阻有关，禁带宽度越大，相应器件就会具有较低的导通电阻。

金刚石热导率很大，因此用金刚石制作的器件散热性能良好。金刚石的介质击穿场强也很高，大致为V/cm，所以能提高器件的最高工作温度和功率。

同时金刚石的介电常数较低，这可以影响到器件的阻抗，并且有利于提高器件的工作频率。

第三代半导体的应用

LED：

第三代半导体以氮化镓、氮化铝、氮化铟这些三族氮化物为例，这些氮化物半导体可以制作蓝光LED、绿光LED，最终可以通过组合的方式实现白光LED。现在不少手机屏幕，显示器的背部光源用的就是LED。

人类用氮化物制造LED的历史其实有很长时间了，中村修二于1993年在日本日亚化学工业株式会社就职期间，基于GaN开发了高亮度蓝色LED。中村修二于2014年与活力的水杯，axdmt因发明“高效蓝色发光二极管”而获得诺贝尔物理学奖。

出自《我国半导体市场:继续直线上升——我国超高亮度及白光LED产业的现状与发展》

此文章发表于2005年，在那时国外很多公司已经将氮化物用于制作LED，并且实现了商业化。

紫外探测：

紫外探测是第三代半导体的重要应用之一。

比如在高压电线杆上有时候会出现放电的现象，这种现象称之为“电晕”。高电压设备电晕放电会产生紫外线，我们只需要检测这些紫外线就能更好的监测电网设备的运行。同理也可以监测高铁等其它设备上的电晕情况。

再比如紫外探测可以检测导弹的尾焰、森林防火、船只导航等用途。

高功率器件：

用第三代半导体制作的高功率器件具有体积更小、效率更高、性能更强等特点。

比如各大厂商推出的GaN手机充电器。特别是手机开启快充时代后，手机充电器的功率越来越大，如果继续用传统材料制作手机充电器，那么体积就会太大进而不方便携带。而用GaN制作的手机充电器体积就能缩小很多。同理也可以用GaN制作笔记本电脑的电源适配器。

除了手机以外，其它更大的设备也可以使用类似的技术。比如新能源汽车的充电桩。对于电动汽车来说提高充电效率每年就可以省下不少的电力资源。同理也可以用于制作汽车上使用的IGBT。

用第三代半导体制作的器件可以在瞬间输出巨大的能量，因此它也可以被用于制作航空母舰上的电磁弹射器，或者是舰船上的电磁炮。

射频与微波：

在这方面，大家比较熟知的应该就是5G了。使用第三代半导体材料可以建造更加节能且性能更强的5G基站，而且也可以用于制作5G射频芯片。

在军用方面，第三代半导体可以用于制作包括相控阵雷达在内的各种军用雷达。在AUSA2016上,雷声公司展示了第一台全尺寸的“爱国者”下一代雷达的原型机。这种新型雷达采用了AESA体制和氮化镓(GaN)材料制成的芯片。“爱国者”防空系统原有的雷达是无源相控阵体制的AN/MPQ-53/65,其使用的是砷化镓(GaAs)材料制成的芯片。

硅还是老大哥

在前文中提到过第三代半导体和第一代、第二代半导体因为应用场景方面的问题，并不属于同一赛道。

那么现在半导体市场上主流业务是什么呢？是集成电路。而恰巧，在当前技术条件下第三代半导体不适合用于制作数字逻辑电路。第三代半导体的主战场更多的会集中在分立器件上。

根据相关新闻报道，2018年全球半导体市场规模达到4779.4亿美元，而且每年还在快速增长中。根据国外研究机构数据显示，到了2025年第三代半导体市场的规模将达到434亿美元。

但从我国半导体产业发展的角度来说，发展第三代半导体总算暂时不用被先进光刻机卡脖子了。

意法半导体(ST)新材料和电源方案事业部的创新和关键项目战略营销总监Filippo Di 友好的花瓣预测：“随着GaN技术向更小的工艺节点演进，在达到0.15μm栅长时，GaN将挑战GaAs器件在便携式无线应用中的主导地位。”

我国先进的光刻机可能在短期内无法突破，在如果只是光刻0.15μm（150nm）的光刻机还是没有问题的。

对于高频小信号器件来说，它们需要低噪声系数。因此目前在某些情况下GaAs仍具优势。当然现在也有一些类似“数字预失真技术”可以帮助GaN器件在高频场景下达到更好的性能。所以从长期来看，GaN取代部分GaAs的市场地位是大趋势。

对于硅材料来说，其实业界很早就发现了这种材料的不足。比如漏电和散热问题，以及未来可能会触及硅的物理极限。但是整条产业链上并没有多少人愿意做出改变，他们更偏向于使用新技术继续给硅“续命”。

举个例子来说就是，一件破衣服，大家都不太舍得直接换新的，然后就是“新三年，旧三年，缝缝补补又三年。”而且经过这些年的修补，裁缝的手艺越来越好了，暂时还是能继续修下去。

关于硅的“接班人”现在还尚不确定，比如“二维超导材料”亦或是“拓扑绝缘体”都有可能接班。不过相关材料大规模商业也是很多年之后的事了。

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