第三代半導體材料的優勢及特
2021年11月12日 15:52瀏覽：2288
隨著化合物半導體制造產業的不斷發展，到目前為止，第一代、第二代半導體材料工藝已經逐漸達到物理“天花板”，想要突破目前技術瓶頸，只能從第三代半導體材料入手，而且在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中，已經將推動“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體發展”寫入了“科技前沿領域攻關”部分，可見國家對第三代半導體材料的重視程度。
在國際上一般把禁帶寬度
（Eg）
大于或等于2.3 eV 的半導體材料稱之為寬禁帶半導體材料也稱第三代半導體材料
。常見的第三代半導體材料包括：碳化硅
（SiC）
、氮化鎵
（GaN）
、金剛石、氧化鋅
（ZnO）
、氮化鋁
（AlN）
等。
第一代半導體材料以硅
（Si）
為代表
，經過長期的發展徹底取代了笨重的電子管，從而推動了以集成電路為核心的微電子產品的迅猛發展；
第二代半導體材料則以砷化鎵
（GaAs）
和銻化銦
（InSb）
等為主，
其中磷化銦半導體激光器是光通信系統的關鍵器件，而砷化鎵高速器件更開拓了光纖及移動通信新產業。
第三代半導體材料便是以碳化硅
（SiC）
、氮化鎵
（GaN）
為代表
，它們不僅在電子遷移率
（低壓條件下的高頻工作性能）
上高于硅材料，還在飽和飄逸速率
（高壓條件下的高頻工作性能）
強于硅材料，更有著硅材料無法比擬的禁帶寬度
（器件的耐壓性能、最高工作溫度與光學性能）
，“寬禁帶
（Wide Band-Gap，WBG）
”也是業內之所以重視第三代半導體材料的原因，
高禁帶寬度的好處是，器件耐高壓、耐高溫，并且功率大、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低
。
國內之所以用“代”這個詞來劃分半導體材料，主要是受到半導體材料的大規模應用所推動的第三次產業革命所影響，雖然第三代半導體在高溫、強輻射、大功率等特殊場景中有著非常顯著的優勢，但目前硅材料仍占據市場主導位置，因為硅材料在可靠性和整體性上有著其他半導體材料無法比擬的優勢。
第三代半導體的難點不在于設備和邏輯電路設計，而是在走向大規模商用時，
如何降低襯底的價格和如何提高尺寸，以及在如何配合不同材料的制程條件下形成有效的開發流程。
第三代半導體的產業鏈主要分為襯底-外延-設計-制作-封裝
，其中襯底是所有半導體芯片的底層材料，主要用于物理支撐、導熱、導電；外延則是在襯底材料上生長出來的新半導體晶層，外延層就是制造半導體材芯片的重要原料；設計主要包括器件設計和集成電路設計，其中器件設計包括半導體器件的結構、材料；制造就是通過光刻、薄膜沉積、刻蝕等復雜工藝流程在外延片上制作出設計好的器件結構和電路；最后的封裝便是將制造好的晶圓切割成裸芯片。
如何降低襯底的價格和如何日高尺寸就是碳化硅目前的主要難點
，目前規?；L碳化硅單晶主要采用物理氣相輸運法
（PVT）
或籽晶的升華法。碳化硅生長爐的技術指標和工藝過程中的籽晶制備、生長壓力控制、溫度場分布控制等因素，決定了單晶質量和主要成本。
SiC材料對于生產工具的要求，造成了加工時間長、效率低。碳化硅材料是目前僅次于金剛石硬度的材料，材料的機械加工，主要以金剛石磨料為基礎切割線、切割刀具、磨削砂輪等工具。由于這些工具的制備基本采用電鍍金屬結合劑固結金剛石磨料的方法，或者通過樹脂固結金剛石磨料的方法。而且加工過程中切削力大，加工工具上的金剛石磨料容易脫落，造成工具加工壽命短，加工成本高。為了延長工具壽命、提高加工質量，往往采用微量或極低速進給量，這就犧牲了整體的生產效率。
此外，
如何配合不同材料的制程條件下形成有效的開發流程，就是氮化鎵的主要難點
，GaN同質襯底是襯底和外延都采用GaN材料。氫化物氣相外延
（HVPE）
方法是目前研究生產GaN襯底的主流。大多數可以商業化方式提供GaN 均勻襯底都是通過這種方法生產的。該技術具有設備簡單、生長速度快、可控性強等優點。利用金屬有機化合物化學氣相沉淀
（MOCVD）
技術可以生長出均勻、大尺寸的厚膜。目前，該技術已經成為制備外延厚膜最有效的方法，并且生長的厚膜可以通過拋光或激光剝離襯底，作為同質外延生長器件結構的襯底。
第三代半導體材料目前主要可以應用于光電、電力電子、以及微波射頻三大領域
，其中光電領域是到目前為止應用最成熟的領域，不僅有著高達數千億美元的規模，更是一場成功的技術革命，目前應用范圍包括顯示、背光、照明等，其中Micro LED與UVC LED雖然存在技術上的缺陷，但是具備新的市場想象空間，所以被業內仍寄予厚望。
其次就是功率器件領域，也就是電力電子，如今廣泛應用于
智能電網、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發、工業電機、數據中心、家用電器、移動電子設備
等國家經濟與國民生活的方方面面，是工業體系中不可或缺的核心半導體產品。
其中的SiC 功率器件被認為未來最大的應用市場在新能源汽車
，主要是功率控制單元
（PCU）
、逆變器、DC-DC轉換器、車載充電器等方面；此外GaN功率器件因其高頻高效率的特點，在消費電子充電器、新能源充電樁、數據中心等領域有著較大的應用潛力。
最后就是微波射頻領域，它主要涵蓋的是各個高科技領域，如汽車雷達、衛星通訊、5G基站、預警探測等
，由于5G的不斷推進，這類擁有SiC的寬禁帶材料性能優勢的材料的重要程度更進一步。
隨著第三代半導體的不斷發展，目前已經在各個領域取得了非常豐碩的成果，在碳化硅方面主要由美歐日等廠商主導，但隨著中美貿易的不斷深入，國家對第三代半導體的重視程度也越來越高，其中還誕生了一些非常優秀的產業，如天科合達、山東天岳、三安光電、中電13所、55所等。
雖然，目前我國在第一代半導體材料方面距離國際一線水平還有著很大的距離，在生產設備方面幾乎所有的晶圓代工廠都會用到美國公司的設備，2019年全球前5名芯片設備生產商3家來自美國；而中國的北方華創、中微半導體、上海微電子等中國優秀的芯片公司只是在刻蝕設備、清洗設備、光刻機等部分細分領域實現突破，設備領域的國產化率還不到20%。在應用材料方面，美國已連續多年位列第一，中國的高端光刻膠幾乎依賴進口，全球五大硅晶圓的供應商占據了高達92.8%的產能，美國、日本、韓國的公司具有壟斷地位。
但是，由于以GaN和SiC為代表的第三代半導體材料在21世紀初才開始產業化應用，世界各國水平基本相差不大，所以我國目前還具有彎道超車的機會。
1.《第三代半導體來勢洶洶 前代材料將全面退賽？》-科技日報
2.《第三代半導體制造的工藝難點、應用前景和產業鏈》-拾點半導體（石大小生）
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