2018年11月23日 | 一文读懂第三代半导体材料的特性、应用

导语

半导体材料是半导体产业发展的基础，20世纪30年代才被科学界所认可。随着半导体产业的发展，半导体材料也从一代、二代发展到现在的第三代，本文着重分析第三代半导体材料的特性、应用，以及我国第三代半导体材料发展面临的机遇和挑战。

作为一种20世纪30年代才被科学界所认可的材料—半导体，其实它的定义也很简单。众所周知，物资存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等，其中导电性差或不好的材料，称为绝缘体；反之，导电性好的称为导体。因此，半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。

半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。

由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。

硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。

中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。

随着半导体产业的发展，半导体材料也在逐渐发生变化，迄今为止，半导体材料大致经历了三代变革。现在跟随芯师爷，一起去看看第一代半导体材料。

01 第一代半导体材料

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。它们是半导体分立器件、集成电路和太阳能电池的最基础材料。

金属硅块

几十年来，硅芯片在电子信息工程、计算机、手机、电视、航天航空、新能源以及各类军事设施中得到极为广泛的应用，在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。

02 第二代半导体材料

第二代半导体材料是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP），以及三元化合物半导体材料，如铝砷化镓（GaAsAl）、磷砷化镓（GaAsP）等。还有一些固溶体半导体材料，如锗硅（Ge-Si）、砷化镓-磷化镓（GaAs-GaP）等；玻璃半导体（又称非晶态半导体）材料，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体等；有机半导体材料，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

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，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。随着世界互联网的兴起，这些器件还被广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航系统等领域。

03 第三代半导体材料

第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度Eg>2.3eV）的半导体材料。

与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV），亦被称为高温半导体材料。

SiC 正凭借其优良的性能，在许多领域可以取代硅，打破硅基材料本身性能造成的许多局限性。SiC 将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代技术领域发挥其重要的革新作用，应用前景巨大。

氮化镓（GaN）是极其稳定的化合物，又是坚硬和高熔点材料，熔点为1700℃。GaN 具有高的电离度，在三五族化合物中是最高的（0.5 或0.43）。在大气压下，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构，因为其硬度大，所以它又是一种良好的涂层保护材料。GaN 具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。

从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）——并称为第三代半导体材料的双雄。

碳化硅（SiC）

身世

碳化硅（SiC）俗称金刚砂，为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒，并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中，在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体。通过Lely法能生长出大块的碳化硅单晶。

结构和特性

碳化硅存在着约250种结晶形态。由于碳化硅拥有一系列相似晶体结构的同质多型体使得碳化硅具有同质多晶的特点。这些多形体的晶体结构可被视为将特定几种二维结构以不同顺序层状堆积后得到的，因此这些多形体具有相同的化学组成和相同的二维结构，但它们的三维结构不同。

在碳化硅中掺杂氮或磷可以形成n型半导体，掺杂铝、硼、镓或铍可以形成p型半导体。在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下拥有超导性，但掺杂Al和B的碳化硅两者的磁场行为有明显区别。掺杂铝的碳化硅和掺杂B的晶体硅一样都是II型半导体,但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体。

缺点

单晶材料缺陷多，至今材料质量还未真正解决；设计和工艺控制技术比较困难；工艺装置特殊要求，技术标准高，例离子注入,外延设备，激光曝光光刻机等；资金投入很大，运行费用和开发费用昂贵,一般很难开展研发工作。

氮化镓（GaN）

身世

氮化镓（GaN、Gallium nitride）是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器*的条件下，产生紫光（405nm）激光。

结构和特性

GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

GaN的电学特性是影响器件的主要因素，未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。

缺点

一方面，在理论上由于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量较大，输运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。另一方面，现在用异质外延（以蓝宝石和SiC作为衬底）技术生长出的GaN单晶，还不太令人满意（这有碍于GaN器件的发展），如位错密度达到了108~1010/cm2（虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似，但仍然有比较大的晶格失配和热失配）；未掺杂GaN的室温背景载流子（电子）浓度高达1017cm-3（可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关），并呈现出n型导电。

特性比对

硅、碳化硅、氮化镓物理性质比较

应用解析

两者同为化合物半导体，有相似又有不同。那么具体到应用层面会怎样划分？下图解释了从功率和频率两个参数来如何划分两者的应用。

纵轴为功率，横轴为频率

04 第三代半导体材料主要应用领域

作为一类新型宽禁带半导体材料，第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点：如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力，被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”，是光电子和微电子等产业的“新发动机”。

此外，第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体材料，也是最具有发展前景的两种材料。

从应用范围来说，第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点。在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景，是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。

电力电子领域

SiC、GaN的电力电子器件市场在2016年正式形成。初步估计，2016年SiC电力电子市场规模在2.1亿-2.4亿美元之间，而GaN电力电子市场规模约在2000万-3000万美元之间，两者合计达2.3亿-2.7亿美元。而据IC insights数据，2016年全球功率半导体销售金额约124亿美元，意味着第三代半导体功率器件2016年的市场占有率已经达到2 %左右。

数据来源：Yole，2016  制表：芯师爷

SiC、GaN在功率电子市场的前景看好。据Yole最新报告数据显示，2021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元，2016-2021年的复合年增长率（CAGR）将达到19%。而Yole同时预测，GaN功率器件在未来五年（2016-2021年）复合年增率将达到86%，市场将在2021年达到3亿美元。当然，SiC、GaN替代Si产品仍然为时甚早。据Lux研究公司数据，预计至2024年，第三代半导体功率电子的渗透率将达到13%，而Si产品仍将占据剩下的87%的市场份额。

微波射频领域

据Yole预测，2016-2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍，市场复合年增长率（CAGR）将达到4%；2020年末，市场规模将扩大至目前的2.5倍。2015年，受益于中国LTE（4G）网络的大规模应用，带来无线基础设施市场的大幅增长，有力地刺激了GaN微波射频产业。2015年末，整个GaN射频市场规模接近3亿美元。2017-2018年，在无线基础设施及国防应用市场需求增长的推动下，GaN市场会进一步放大，但增速会较2015年有所放缓。2019-2020年，5G网络的实施将接棒推动GaN市场增长。未来10年，GaN市场将有望超过30亿美元。

光电领域

随着技术进步，半导体照明的应用领域不断拓宽，市场规模不断增长。据美国产业研究机构Strategies Unlimited 2016年发布的报告显示，2015年，LED器件营收约147亿美元，预计2016年约152亿美元；2020年超过180亿美元。LED器件照明应用仍是主流应用，约占30%以上，并稳步增长；LED在汽车以及农业等应用逐年扩大。

近年来，LED照明产品的市场渗透率快速增长，特别是在新增销售量的渗透率有较快增长，但在已安装市场上，由于基数庞大，LED目前的（在用量）市场渗透率仍不高。IHS数据显示，2015年全球LED灯安装数量在整体照明产品在用量中的渗透率仅为6%，预计2022年将接近40%，LED全球照明市场仍具较大增长潜力。

数据来源：Strategies Unlimited   制表：芯师爷

05 我国第三代半导体材料发展面临的机遇挑战

在巨大优势和光明前景的刺激下，目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域，但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢，宽禁带半导体技术亟待突破。近日，投资50亿元的聚力成半导体（重庆）有限公司奠基，该项目有望突破我国第三代半导体器件在关键材料和制作技术方面的瓶颈。

“最大的瓶颈是原材料。”中科院半导体研究所研究员、中国电子学会半导体与集成技术分会秘书长王晓亮认为，我国原材料的质量、制备问题亟待破解。此外，湖南大学应用物理系副教授曾健平也表示，目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺，大多数设备靠国外进口。

“国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。”国家半导体照明工程研发及产业联盟一专家表示，国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。

原始创新即从无到有的创新过程，其特点是投入大、周期长。以SiC为例，其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大，虽然经过了数十年的研究发展，到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术，能够生产出较好的产品，但离真正的大规模产业化应用也还有较大的距离。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰，是实现产业化的一大桎梏。

“第三代半导体对我们国家未来产业会产生非常大的影响，其应用技术的研究比较关键，若相关配套技术及产品跟不上，第三代半导体的材料及器件的作用和效率可能会发挥不好，所以要全产业链协同发展。”中兴通讯副总裁晏文德表示。

北京大学宽禁带半导体研发中心沈波教授表示，当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好，因为过去十年，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高，但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走，市场和产