[ 新聞發佈 ]
2018/5/13 第三代半導體材料特點及資料介紹
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),更適合於製作高溫、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(禁帶寬度大於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。碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)——並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  
相對於Si,SiC的優點很多: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製作的器件可以用於極端的環境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經成熟的應用市場。42GHz頻率的SiCMESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統中,用SiC作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示幕的關鍵器件。 
在碳化矽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。在碳化矽中大量摻雜硼、鋁或氮可以使摻雜後的碳化矽具備數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的碳化矽都能在1.5K的溫度下擁有超導性,但摻雜Al和B的碳化矽兩者的磁場行為有明顯區別。摻雜鋁的碳化矽和摻雜B的晶體矽一樣都是II型半導體,但摻雜硼的碳化矽則是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,提供超越矽的多種優勢。與矽器件相比,GaN在電源轉換效率和功率密度上實現了性能的飛躍。 
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,廣泛應用於功率因數校正(PFC)、軟開關DCDC等電源系統設計,以及電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、伺服器及通信電源等終端領域。  
GaN是極穩定的化合物,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,又是一種良好的塗層保護材料。 
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。一般情況下所製備的p型樣品,都是高補償的。


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
半導體產業發展至今經歷了三個階段,第一代半導體材料以矽(Si)為代表。第二代半導體材料砷化鎵(GaAs)也已經廣泛應用。而以氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)等寬禁帶為代表的第三代半導體材料,相較前兩代產品,性能優勢顯著並受到業內的廣泛好評。 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, 因此也被業內譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產業的“新發動機”。發展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN,其中SiC的發展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些參數如下圖所示:  
可見,SiC和GaN的禁帶寬度遠大於Si和GaAs,相應的本征載流子濃度小於Si和GaAs,寬禁帶半導體的最高工作溫度要高於第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大於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, 非常適合於製作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。  
產品被市場所接受,價格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑,但成本還是比矽產品高,在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下,大約會比矽產品貴5~6倍,因此,現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矽產品,例如汽車、汽車充電樁、太陽能等。要取代矽制產品,SiC還是有很大的發展空間的。當SiC的成本能降到矽的2~3倍的時候,應該會形成很大的市場規模。到2020年,EV汽車大規模推出的時候,SiC市場會有爆發式的增長。  
在應用方面,根據第三代半導體的發展情況, 其主要應用為半導體照明、電力電子器件、雷射器和探測器、以及其他4個領域, 每個領域產業成熟度各不相同,如下圖所示。在前沿研究領域,寬禁帶半導體還處於實驗室研發階段。  


第三代半導體材料優勢明顯
回顧半導體產業的發展歷程,其先後經歷了以矽(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進步、社會發展做出了巨大貢獻。而如今,以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、氧化鋅、金剛石、氮化鋁為代表的寬禁帶半導體材料被統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,可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力,被譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”,是光電子和微電子等產業的“新發動機”。  
從應用範圍來說,第三代半導體領域還具有學科交叉性強、應用領域廣、產業關聯性大等特點。在半導體照明、新一代移動通信、智慧電網、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,是支撐資訊、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料。 
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)和碳化矽(SiC)半導體材料,也是最具有發展前景的兩種材料。  
與第一代半導體材料矽相比,碳化矽有諸多優點: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、智慧電網、軍工航太都具備優勢,所以碳化矽市場被各產業界頗為看好。  
而氮化鎵直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優點則使其擁有更快的研發速度。兩者的不同優勢決定了應用範圍上的差異,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,碳化矽適用於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。可謂各有優勢。  


我國第三代半導體材料發展面臨的機遇挑戰
在巨大優勢和光明前景的刺激下,目前全球各國均在加大馬力佈局第三代半導體領域,但我國在寬禁帶半導體產業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,我國原材料的品質、製備問題亟待破解。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晶元的製備尚為空缺,大多數設備靠國外進口。 
“國內開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚,與國外相比水準較低,阻礙國內第三代半導體研究進展的重要因素是原始創新問題。”國家半導體照明工程研發及產業聯盟一專家表示,國內新材料領域的科研院所和相關生產企業大都急功近利,難以容忍長期“只投入,不產出”的現狀。因此,以第三代半導體材料為代表的新材料原始創新舉步維艱。  
原始創新即從無到有的創新過程,其特點是投入大、週期長。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,非常適合於製作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。然而生長SiC晶體難度很大,雖然經過了數十年的研究發展,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幾家公司掌握了SiC的生長技術,能夠生產出較好的產品,但離真正的大規模產業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新舉步維艱,是實現產業化的一大桎梏。  
“第三代半導體對我們國家未來產業會產生非常大的影響,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揮不好,所以要全產業鏈協同發展。”中興通訊副總裁晏文德表示。
是機遇也是挑戰。未來,我國第三代半導體產業將面臨許許多多的難題。就像北京大學寬禁帶半導體研發中心沈波教授所說,當前我國發展第三代半導體面臨的機遇非常好,因為過去十年,在半導體照明的驅動下,氮化鎵無論是材料和器件成熟度都已經大大提高,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,市場和產業剛剛啟動,我們還面臨巨大挑戰,必須共同努力。