邁向全新的產(chǎn)業(yè)時(shí)代 三問(wèn)三答第三代半導(dǎo)體材料

張平

你聽(tīng)說(shuō)過(guò)第三代半導(dǎo)體嗎？在一般的認(rèn)知中，第一代半導(dǎo)體是由硅、鍺這樣的材料構(gòu)成，第二代半導(dǎo)體包括砷化鎵、磷化鎵，所謂第三代半導(dǎo)體則是以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅和金剛石為主。那么，第三代半導(dǎo)體相比前兩代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)是什么，又有哪些重要的特性呢？今天本文就帶你一起來(lái)了解這些內(nèi)容。

近期，阿里巴巴旗下的達(dá)摩院提出了“2021年十大科技趨勢(shì)”，其中排名第一的是“以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)”。對(duì)于這種全新的材料，我們自然有很多疑問(wèn)。看完本文，大家就能對(duì)它們有初步認(rèn)知了。

問(wèn)題一：為什么叫“第三

代”半導(dǎo)體材料？

所謂第三代半導(dǎo)體，是指從材料角度而言的發(fā)展代次。其中，第一代半導(dǎo)體材料是以硅和鍺為代表，第二代半導(dǎo)體材料是砷化鎵和磷化銦的應(yīng)用為主，第三代材料則包括碳化硅、氮化鎵、氮化鋁等。在很多文章中，第三代半導(dǎo)體中的“第三代”往往成為讓人迷惑的地方，尤其是傳統(tǒng)概念“一代更比一代強(qiáng)”更加會(huì)讓人覺(jué)得第三代半導(dǎo)體材料相比此前的材料有著全面的優(yōu)勢(shì)。但實(shí)際情況并非如此，目前對(duì)新材料的“第三代”命名有可能是屬于市場(chǎng)手段，或者翻譯、轉(zhuǎn)譯方面的失誤。從技術(shù)角度或者應(yīng)用角度來(lái)看，目前所謂的“第三代”半導(dǎo)體，更應(yīng)該被叫做“第三類”半導(dǎo)體材料。

從目前的實(shí)際情況來(lái)看，鍺材料在早期的半導(dǎo)體應(yīng)用中還比較廣泛，不過(guò)隨著高純度硅材料的生產(chǎn)和制備越來(lái)越成熟和便宜，目前絕大部分集成電路都是基于硅材料來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的。因此，所謂的“第一代”半導(dǎo)體材料依舊有著廣泛的應(yīng)用，并且在目力可及的未來(lái)，也沒(méi)有看到它們有衰退或者被替代的跡象。與之類似的是所謂“第二代”半導(dǎo)體材料，主要被用在功率放大器或者LED產(chǎn)品中，相對(duì)于硅材料，“第二代”半導(dǎo)體材料開(kāi)創(chuàng)了自己獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大了半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。第三代半導(dǎo)體材料也是如此，碳化硅、氮化鎵等材料多應(yīng)用在高電壓、大功率、高頻率產(chǎn)品方面，也開(kāi)創(chuàng)了屬于自身擅長(zhǎng)的應(yīng)用范圍。

當(dāng)然，除了上述“第N代”半導(dǎo)體材料外，目前也不斷有新的半導(dǎo)體材料涌現(xiàn)出來(lái)，這些產(chǎn)品的用途非常獨(dú)特，制造難度也很大，目前還處在進(jìn)一步研發(fā)過(guò)程中，因此，很可能未來(lái)還有所謂的“第四代”半導(dǎo)體材料出現(xiàn)。

在一些學(xué)術(shù)會(huì)議中，第三代半導(dǎo)體材料的英文翻譯是“寬禁帶半導(dǎo)體”材料。從材料性質(zhì)角度來(lái)看，“寬禁帶”才是真正的第三代半導(dǎo)體的最大特點(diǎn)。那么，什么是寬禁帶呢？

問(wèn)題二：什么是寬禁帶？它的獨(dú)特性質(zhì)是什么？

要說(shuō)清楚禁帶，首先我們得了解一些基本的晶體結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)的知識(shí)。下面本文盡量以簡(jiǎn)單和方便理解的描述方法進(jìn)行解釋。根據(jù)量子力學(xué)最基本的假設(shè)，能量在原子、電子這個(gè)級(jí)別的微觀尺度下是不連續(xù)的。舉例來(lái)說(shuō)，以氫原子為例，氫原子外電子的能級(jí)從最低的-13.6E/eV開(kāi)始，一直到-3.4E/eV、-1.51E/eV、-0.85E/eV，然后到0?？梢钥吹?，氫原子外電子的4個(gè)能級(jí)分布是不連續(xù)的。

剛才的能級(jí)數(shù)據(jù)，是指單原子體系中的情況，考察的是一個(gè)孤立原子。實(shí)際上我們遇到的無(wú)論是材料也好，日常生活中的物品也好，不可能只有一個(gè)原子，往往是多個(gè)原子組成的一個(gè)體系。現(xiàn)在假設(shè)某個(gè)材料幾乎由同類型的原子組成，比如高純度的硅，幾乎都是硅原子。那么在這個(gè)體系中，對(duì)單個(gè)原子來(lái)說(shuō)，其外的電子能級(jí)也是不連續(xù)的、確定的。比如硅原子外的電子擁有a、b、c、d、e等多個(gè)能級(jí)。當(dāng)多個(gè)原子放在一起的時(shí)候，這些原子之間存在相互影響，原子之外的電子能級(jí)也會(huì)發(fā)生微小的移動(dòng)，但是即使存在這樣的移動(dòng)，位于相近能級(jí)的電子的實(shí)際數(shù)據(jù)差值也非常微小。舉例來(lái)說(shuō)，硅原子外的a能級(jí)是xE/eV，那么和它相似的電子能級(jí)數(shù)據(jù)可能是x+0.01E/eV、x-0.01E/eV，或者x+0.02E/eV、x-0.02E/eV。這樣一來(lái)，所有處于近似能級(jí)的電子的能級(jí)數(shù)據(jù)，就形成了一個(gè)能帶。

這樣一來(lái)，我們就得到了能級(jí)、能帶兩個(gè)概念。我們還可以用另一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明能級(jí)和能帶的關(guān)系。比如地鐵運(yùn)行班次為5分鐘一班，一個(gè)固定的能級(jí)可以看成是9：00發(fā)車的那班地鐵上某個(gè)旅客所處的位置。一個(gè)能帶就是這班地鐵列車6節(jié)車廂上的所有乘客。對(duì)于這6節(jié)地鐵車廂中的乘客來(lái)說(shuō)，他們的位置是有差別的，有人在車頭，有人在車尾，還有在中間的，但是他們總是在同一個(gè)列車上，幾乎沒(méi)有可能跑去下一班，也就是9：05開(kāi)出來(lái)的地鐵上。那么，9：00和9：05這兩列地鐵之間的間隔，就叫做禁帶。

現(xiàn)在，我們知道了什么是禁帶。也就是說(shuō)，兩個(gè)能帶之間的部分就叫做禁帶。在這里，還有兩個(gè)概念需要解釋一下。首先是滿帶，它是指電子在電子填充能帶的時(shí)候，往往會(huì)從最低的能級(jí)向高的能級(jí)開(kāi)始填充，之前的能級(jí)沒(méi)有填滿的時(shí)候，是不會(huì)專門(mén)去高能級(jí)的。那么，這些被填滿的能帶，就叫做滿帶。這也很好理解。比如大家都去地鐵站排隊(duì)，9：00的地鐵出發(fā)之前，一定是滿滿當(dāng)當(dāng)塞滿了乘客的，如果是諸如北京宋家莊、廣州體育西路這種地鐵站，可能乘客是被擠上去的而不是自己走上去的。這種乘客全滿的地鐵，就被看作一個(gè)滿帶。另一個(gè)概念是價(jià)帶，價(jià)帶是滿帶中能量最高的一條。舉例來(lái)說(shuō)，也就是所有坐滿了乘客的地鐵中最擁擠的那個(gè)，可能馬上就有人要被擠暈過(guò)去了，這輛車就可以被看作價(jià)帶。

但是還有一個(gè)問(wèn)題。比如，9：00的地鐵裝滿了，但是9：05的地鐵還基本空著。當(dāng)它們隔得很遠(yuǎn)的時(shí)候，我們說(shuō)這兩個(gè)車之間的乘客不可能流動(dòng)（雖然現(xiàn)實(shí)也不可能），那這種情況可以被看作是價(jià)帶和下一個(gè)能帶之間是完全阻斷了流動(dòng)的，它們的禁帶特別寬，這就是絕緣體，電子不可能在如此寬的禁帶之間流動(dòng)。

但是存在這樣一種情況，那就是9：00擠滿人的地鐵和9：05基本空著的地鐵，雖然隔開(kāi)了，但是中間的間隔很短。結(jié)果就有膽大的人說(shuō)太擠了，我要翻窗出去到下一個(gè)車上去，結(jié)果還成功了，乘客在9：05的地鐵中自由選座，這個(gè)時(shí)候9：05的車就被稱作導(dǎo)帶，這種情況就是半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)。對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，禁帶寬度不大，在有條件的情況下，價(jià)帶的電子能夠躍遷到下一個(gè)能帶上，并可以在新的能帶上自由的流動(dòng)，新的能帶就被稱為導(dǎo)帶。

對(duì)于導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，這個(gè)情況就更有趣了。它的禁帶幾乎不存在，價(jià)帶和導(dǎo)帶是重合的。比如9：00的地鐵擠滿人開(kāi)出去后，發(fā)現(xiàn)9：05的地鐵直接掛在后面還打開(kāi)了車門(mén)，這樣大家都跑到后一個(gè)空車上去坐了。電子自由流動(dòng)，這就是導(dǎo)體。在解釋清楚能級(jí)、能帶、禁帶、價(jià)帶、導(dǎo)帶等概念后。我們?cè)龠M(jìn)一步來(lái)看有關(guān)寬禁帶半導(dǎo)體材料的概念。根據(jù)剛才的解釋，半導(dǎo)體材料的禁帶比導(dǎo)體寬，但是又和絕緣體那種徹底斷絕的情況完全不同，它可以在有條件的情況下變成導(dǎo)體。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體中禁帶相對(duì)較窄的，就是諸如砷化鎵、硅、鍺這種材料。比如硅材料的禁帶寬度為1.12eV、鍺更窄一些，只有0.67eV，砷化鎵也只有1.43eV。半導(dǎo)體材料中禁帶相對(duì)較寬的，就是所謂的“第三代”半導(dǎo)體材料了。比如氮化鎵的禁帶寬度為3.37eV、4H-SiC是3.26eV、6H-SiC是3eV、3C-SiC則是2.2eV，氮化鋁更高一些，高達(dá)6.2eV。

禁帶寬度更高，又有什么獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)呢？從上文的解釋來(lái)看，禁帶寬度高，意味著激發(fā)難度要高一些，但是同時(shí)也意味著從不導(dǎo)通到導(dǎo)通的激發(fā)所需要的能量更大，因此能夠在更高的電壓下工作，同時(shí)也能夠耐受更高的溫度。不僅如此，相對(duì)于同樣功能的硅材料，新的寬禁帶半導(dǎo)體材料在同樣的電流和電壓下尺寸更小，體積更小、各類參數(shù)包括寄生電容都更小，因此充電速度、導(dǎo)通速度都更快，反向恢復(fù)電流也會(huì)更小一些，總的來(lái)看整體開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)變小，工作頻率也會(huì)更高。一般來(lái)說(shuō)，寬禁帶材料工作溫度往往可以達(dá)到200°C以上，可以在部分條件下工作在最高600°C的環(huán)境中，相比硅材料在100°C左右就會(huì)失去效用來(lái)看，新的寬禁帶材料能夠在高頻率、高電壓和高溫度的環(huán)境下正常工作，且能達(dá)到更高的效率。

具體來(lái)說(shuō)，比如碳化硅，在高功率的領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。和傳統(tǒng)硅材料相比，碳化硅的有10倍以上的臨界電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度，3倍左右的禁帶寬度，因此耐壓能力是同等硅器件的10倍以上，其消極特耐壓管甚至可以耐受2400V的高壓，場(chǎng)效應(yīng)管甚至可以耐受上萬(wàn)伏特的高壓，很適合在高壓場(chǎng)合使用，替代傳統(tǒng)材料，降低成本、縮小體積且提高效率。另外，氮化硅也是目前研發(fā)的重點(diǎn)材料，主要用于射頻、功率和光電子。相比傳統(tǒng)材料，氮化硅可以在更高的頻率、功率和溫度下穩(wěn)定工作，氮化硅射頻放大器兼具硅材料產(chǎn)品的大功率和砷化鎵材料高頻率的特點(diǎn)，可以說(shuō)是集各種優(yōu)勢(shì)于一身。

問(wèn)題三：第三代半導(dǎo)體的用途是什么？

在前面的2個(gè)問(wèn)題中，我們了解到了什么是第三代半導(dǎo)體，什么是寬禁帶以及寬禁帶半導(dǎo)體材料的一些基本性質(zhì)。那么問(wèn)題也就來(lái)了，第三代半導(dǎo)體或者說(shuō)寬禁帶半導(dǎo)體材料究竟能夠應(yīng)用在哪些領(lǐng)域，并獲得什么優(yōu)勢(shì)呢？

需要先說(shuō)明的是，由于材料性質(zhì)、功能和應(yīng)用場(chǎng)景的差異，目前的寬禁帶半導(dǎo)體材料不太可能和現(xiàn)有的硅材料相互替換，它只能是開(kāi)創(chuàng)一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域，或者帶來(lái)相對(duì)之前部分材料更好的使用效果。一些研究顯示，寬禁帶半導(dǎo)體材料能夠應(yīng)用的范圍包括軍工、新能源汽車、消費(fèi)電子、家用電器、照明、智能電網(wǎng)等，非常寬泛。著眼于現(xiàn)在的話，目前包括半導(dǎo)體照明、激光器、電力電子器件、太陽(yáng)能電池等產(chǎn)業(yè)上，寬禁帶半導(dǎo)體材料有顯著優(yōu)勢(shì)，下面我們簡(jiǎn)單介紹一些。

在激光器的制造和研發(fā)中如何實(shí)現(xiàn)大功率、低成本和短波長(zhǎng)一直是比較困難的。但是氮化物半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，可能在很大程度上解決這個(gè)難題。比如綠光激光由于在水中衰減小，因此可用于深海光無(wú)線通信，保密性好且抗干擾，目前綠光激光器的突破點(diǎn)在于使用氮化鎵襯底的高銦組分同質(zhì)外延和二次外延技術(shù)，達(dá)到銦含量35%以上，能夠激發(fā)波長(zhǎng)達(dá)到510～530nm的綠光激光。在用于光盤(pán)刻錄和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的藍(lán)光和紫外光方面，采用高質(zhì)量、高鋁組分的鋁氮化鎵外延制備技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)激發(fā)波長(zhǎng)280nm～300nm的紫外激光。這些新材料和新技術(shù)的應(yīng)用在之前都是非常困難的，寬禁帶半導(dǎo)體材料的到來(lái)很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。在半導(dǎo)體照明方面，目前雖然氮化鎵類型的LED和相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)繼續(xù)引入新的材料和工藝，還能夠帶來(lái)更高的光效、更低的成本和更可靠、更多元化應(yīng)用前景。比如碳化硅也可以結(jié)合氮化鎵外延襯底使用帶來(lái)更出色的效能。

在5G方面，由于數(shù)據(jù)流量大增、帶寬大增，因此對(duì)射頻元器件的要求非常高，比如在更高的頻率下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，工作環(huán)境溫度更為嚴(yán)苛等。傳統(tǒng)的LDMOS不適用于高頻段，砷化鎵不適合在高功率下運(yùn)行，在這種情況下，只有氮化鎵為主的寬禁帶半導(dǎo)體材料才能滿足未來(lái)5G時(shí)代通信發(fā)展的需求。因此一些行業(yè)資料顯示，從2017年到2023年，寬禁帶半導(dǎo)體材料將以每年接近23%的速度成長(zhǎng)，市場(chǎng)前景極為廣闊。在汽車電子方面，寬禁帶半導(dǎo)體材料也大有可為。由于新材料耐高壓、耐高溫以及高頻率的特性，可以使得芯片面積大幅度減少、簡(jiǎn)化汽車電子相關(guān)電路設(shè)計(jì)并最終起到減少模組以及減少周邊輔助零配件的作用。此外，全新的材料還帶來(lái)了更高的能源轉(zhuǎn)換效率，使得純電汽車能夠運(yùn)行更長(zhǎng)的里程。目前汽車電子方面最熱門(mén)的材料還是氮化鎵和碳化硅，其中后者現(xiàn)階段主要用于賽車，還在進(jìn)一步降低成本和研發(fā)導(dǎo)入。前者氮化鎵主要可以用于汽車的電源管理芯片、充電管理芯片等，能夠帶來(lái)極為優(yōu)秀的實(shí)際體驗(yàn)。

在光伏電池方面，寬禁帶半導(dǎo)體材料也有獨(dú)特的作用。由于銦、鎵、氮的使用，使得太陽(yáng)能電池的光學(xué)帶隙可連續(xù)調(diào)節(jié)，特別適合制作多結(jié)層疊太陽(yáng)能光伏電池，實(shí)現(xiàn)全太陽(yáng)可見(jiàn)光譜的能量吸收和利用，提高電池轉(zhuǎn)換效率，其理論轉(zhuǎn)換高達(dá)70%，遠(yuǎn)超現(xiàn)在硅基材料，并且還擁有獨(dú)特的抗輻射特性，更適合用

在外太空的衛(wèi)星、空間站等場(chǎng)合。其他諸如白電、軍事工業(yè)、智能家居、高鐵等方面，寬禁帶半導(dǎo)體材料也能發(fā)揮作用。無(wú)論是開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域還是替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品，新材料總能帶來(lái)驚喜。不過(guò)，雖然寬禁帶半導(dǎo)體材料擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但是其在生產(chǎn)、制造和應(yīng)用上還存在很多難題，比如碳化硅的制造、氮化鎵的制造等，都遠(yuǎn)比傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料更困難、速度更慢且產(chǎn)量更低。在應(yīng)用方面，新的材料制成的零配件如何與之前的產(chǎn)品結(jié)合，也需要進(jìn)一步的研究才能更好地適應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景的變化。

總的來(lái)說(shuō)，第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，是在第一代、第二代半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上，拓展而出的、擁有更獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和更高性能的產(chǎn)品。它們的應(yīng)用有望將相關(guān)產(chǎn)品引入全新的領(lǐng)域，并且在性能、工作環(huán)境和壽命方面實(shí)現(xiàn)全新的突破。2021年乃至未來(lái)的數(shù)年，第三代半導(dǎo)體材料也就是寬禁帶半導(dǎo)體材料有望大爆發(fā)，我們也會(huì)持續(xù)關(guān)注。