第三代半导体材料的优势及应用

 
01 那么第三代半导体材料究竟是什么呢？ 在国际上一般把禁带宽度（Eg）大于或等于2.3 eV 的半导体材料称之为宽禁带半导体材料也称第三代半导体材料。常见的第三代半导体材料包括：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石、氧化锌（ZnO）、氮化铝（AlN）等。 第一代半导体材料以硅（Si）为代表，经过长期的发展彻底取代了笨重的电子管，从而推动了以集成电路为核心的微电子产品的迅猛发展；第二代半导体材料则以砷化镓（GaAs）和锑化铟（InSb）等为主，其中磷化铟半导体激光器是光通信系统的关键器件，而砷化镓高速器件更开拓了光纤及移动通信新产业。 02 第三代半导体的优势与特点 
第三代半导体材料便是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，它们不仅在电子迁移率（低压条件下的高频工作性能）上高于硅材料，还在饱和飘逸速率（高压条件下的高频工作性能）强于硅材料，更有着硅材料无法比拟的禁带宽度（器件的耐压性能、最高工作温度与光学性能），“宽禁带（Wide Band-Gap，WBG）”也是业内之所以重视第三代半导体材料的原因，高禁带宽度的好处是，器件耐高压、耐高温，并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。 国内之所以用“代”这个词来划分半导体材料，主要是受到半导体材料的大规模应用所推动的第三次产业革命所影响，虽然第三代半导体在高温、强辐射、大功率等特殊场景中有着非常显著的优势，但目前硅材料仍占据市场主导位置，因为硅材料在可靠性和整体性上有着其他半导体材料无法比拟的优势。 第三代半导体的难点不在于设备和逻辑电路设计，而是在走向大规模商用时，如何降低衬底的价格和如何提高尺寸，以及在如何配合不同材料的制程条件下形成有效的开发流程。 第三代半导体的产业链主要分为衬底-外延-设计-制作-封装，其中衬底是所有半导体芯片的底层材料，主要用于物理支撑、导热、导电；外延则是在衬底材料上生长出来的新半导体晶层，外延层就是制造半导体材芯片的重要原料；设计主要包括器件设计和集成电路设计，其中器件设计包括半导体器件的结构、材料；制造就是通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路；最后的封装便是将制造好的晶圆切割成裸芯片。 如何降低衬底的价格和如何日高尺寸就是碳化硅目前的主要难点，目前规模化生长碳化硅单晶主要采用物理气相输运法（PVT）或籽晶的升华法。碳化硅生长炉的技术指标和工艺过程中的籽晶制备、生长压力控制、温度场分布控制等因素，决定了单晶质量和主要成本。 SiC材料对于生产工具的要求，造成了加工时间长、效率低。碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料，材料的机械加工，主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。由于这些工具的制备基本采用电镀金属结合剂固结金刚石磨料的方法，或者通过树脂固结金刚石磨料的方法。而且加工过程中切削力大，加工工具上的金刚石磨料容易脱落，造成工具加工寿命短，加工成本高。为了延长工具寿命、提高加工质量，往往采用微量或极低速进给量，这就牺牲了整体的生产效率。 此外，如何配合不同材料的制程条件下形成有效的开发流程，就是氮化镓的主要难点，GaN同质衬底是衬底和外延都采用GaN材料。氢化物气相外延（HVPE）方法是目前研究生产GaN衬底的主流。大多数可以商业化方式提供GaN 均匀衬底都是通过这种方法生产的。该技术具有设备简单、生长速度快、可控性强等优点。利用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）技术可以生长出均匀、大尺寸的厚膜。目前，该技术已经成为制备外延厚膜最有效的方法，并且生长的厚膜可以通过抛光或激光剥离衬底，作为同质外延生长器件结构的衬底。 03 第三代半导体材料的应用领域 
第三代半导体材料目前主要可以应用于光电、电力电子、以及微波射频三大领域，其中光电领域是到目前为止应用最成熟的领域，不仅有着高达数千亿美元的规模，更是一场成功的技术革命，目前应用范围包括显示、背光、照明等，其中Micro LED与UVC LED虽然存在技术上的缺陷，但是具备新的市场想象空间，所以被业内仍寄予厚望。 其次就是功率器件领域，也就是电力电子，如今广泛应用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面，是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。 其中的SiC 功率器件被认为未来最大的应用市场在新能源汽车，主要是功率控制单元（PCU）、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等方面；此外GaN功率器件因其高频高效率的特点，在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力。 最后就是微波射频领域，它主要涵盖的是各个高科技领域，如汽车雷达、卫星通讯、5G****、预警探测等，由于5G的不断推进，这类拥有SiC的宽禁带材料性能优势的材料的重要程度更进一步。 04 第三代半导体材料的发展现状 
随着第三代半导体的不断发展，目前已经在各个领域取得了非常丰硕的成果，在碳化硅方面主要由美欧日等厂商主导，但随着中美贸易的不断深入，国家对第三代半导体的重视程度也越来越高，其中还诞生了一些非常优秀的产业，如天科合达、山东天岳、三安光电、中电13所、55所等。 虽然，目前我国在第一代半导体材料方面距离国际一线水平还有着很大的距离，在生产设备方面几乎所有的晶圆代工厂都会用到美国公司的设备，2019年全球前5名芯片设备生产商3家来自美国；而中国的北方华创、中微半导体、上海微电子等中国优秀的芯片公司只是在刻蚀设备、清洗设备、光刻机等部分细分领域实现突破，设备领域的国产化率还不到20%。在应用材料方面，美国已连续多年位列第一，中国的高端光刻胶几乎依赖进口，全球五大硅晶圆的供应商占据了高达92.8%的产能，美国、日本、韩国的公司具有垄断地位。 但是，由于以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料在21世纪初才开始产业化应用，世界各国水平基本相差不大，所以我国目前还具有弯道超车的机会。 文章来源：1.《第三代半导体来势汹汹 前代材料将全面退赛？》-科技日报2.《第三代半导体制造的工艺难点、应用前景和产业链》-拾点半导体（石大小生）