什么是第三代半导体材料?

日期:2018-04-01     来源:第三代半导体产业网    
核心提示:什么是第三代半导体材料?
什么是第三代半导体?
 
第三代半导体是以碳化硅SiC、氮化镓GaN为主的宽禁带半导体材料,具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。
 
一、半导体材料的划代
 
半导体材料的划代主要按照推出时间早晚划分,半导体材料目前已经划分到了第三代。第一代是从集成电路发明开始,最先晶体管是锗材料,后面发展成硅材料。
 
第二代半导体材料是20世纪八九十年代推出的砷化镓和1990 年后才开始真正用到了产业上面的磷化铟材料。
 
2000 年以后,主要是第三代半导体材料,以氮化镓和碳化硅为主。2005 年以后开始出现超宽禁带半导体,图1横轴为材料引入时间,纵轴为材料的禁带宽度,4 eV以上禁带宽度的材料称为超宽禁带。包括目前比较典型氧化镓、金刚石和氮化铝。这些新材料的引入对半导体体系有很大发展和补充。
  图1  半导体材料的划代
第一代半导体材料,发明并实用于20世纪50年代,以硅(Si)、锗(Ge)为代表,特别是硅,构成了一切逻辑器件的基础。我们的CPU、GPU的算力,都离不开硅的功劳。
 
第二代半导体材料,发明并实用于20世纪80年代,主要是指化合物半导体材料,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表。其中砷化镓在射频功放器件中扮演重要角色,磷化铟在光通信器件中应用广泛……
 
第三代半导体材料,发明并实用于本世纪初年,涌现出了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等具有宽禁带(Eg>2.3eV)特性的新兴半导体材料,因此也被成为宽禁带半导体材料。

超宽禁带半导体材料,2005 年以后开始出现超宽禁带半导体,图1横轴为材料引入时间,纵轴为材料的禁带宽度,4 eV以上禁带宽度的材料称为超宽禁带。包括目前比较典型氧化镓、金刚石和氮化铝。这些新材料的引入对半导体体系有很大发展和补充。
 
二、禁带宽度
 
禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特(eV)),固体中电子的能量是不可以连续取值的,而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在,自由电子存在的能带称为导带(能导电)。被束缚的电子要成为自由电子,就必须获得足够能量从而跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关,禁带宽度越窄,材料的物性倾向于金属,反之则倾向于绝缘体。

第一代半导体材料,属于间接带隙,窄带隙;第二代半导体材料,直接带隙,窄带隙;第三代半导体材料,宽禁带,全组分直接带隙。
和传统半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

  表1   半导体材料的特性
 
三、应用方向
 
第一代半导体材料主要用于分立器件和芯片制造;
 
第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料,广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。
 
第三代半导体材料广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件,应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。第三代半导体材料已被认为是当今电子产业发展的新动力。
 
以第三代半导体的典型代表碳化硅(SiC)为例,碳化硅具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点,使得其器件适用于高频高温的应用场景,相较于硅器件,碳化硅器件可以显着降低开关损耗。因此,碳化硅可以制造高耐压、大功率的电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等,用于智能电网、新能源汽车等行业。与硅元器件相比,氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点,是超高频器件的极佳选择,适用于5G通信、微波射频等领域的应用。
 
第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性,相比第一代硅基半导体可以降低50%以上的能量损失,同时使装备体积减小75%以上。
 
第三代半导体属于后摩尔定律概念,制程和设备要求相对不高,难点在于第三代半导体材料的制备,同时在设计上要有优势。
 
第三代半导体现状
 
由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势,多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用,无法挑战硅基半导体的统治地位。
 
目前碳化硅衬底技术相对简单,国内已实现4英寸量产,6英寸的研发也已经完成。氮化镓(GaN)制备技术仍有待提升,国内企业目前可以批量生产2英寸衬底,并具备了4、6、8英寸衬底生产能力。
 
第三代半导体的机遇
 
在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下,第三代半导体材料有望迎来加速发展。硅基半导体的性能已无法完全满足5G和新能源汽车的需求,碳化硅和氮化镓等第三代半导体的优势被放大。
 
另外,制备技术的进步使得碳化硅和氮化镓器件成本不断下降,碳化硅和氮化镓的性价比优势将充分显现。初步判断,第三代半导体未来的核心增长点将集中在碳化硅和氮化镓各自占优势的领域。
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