半導(dǎo)體原料共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：第一階段是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導(dǎo)體原料；第二階段是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為代表；第三階段是以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化鋅（ZnSe）等寬帶半導(dǎo)體原料為主。

 

半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展史

在材料領(lǐng)域的第一代，第二代， 第三代 并不具有“后一代優(yōu)于前一代”的說(shuō)法。國(guó)外一般會(huì)把氮化鎵、碳化硅等材料叫做寬禁帶半導(dǎo)體；把氮化鎵、氮化鋁、氮化銦和他們的混晶材料成為氮化物半導(dǎo)體、或者把氮化鎵、砷化鎵、磷化銦成為III-V族半導(dǎo)體。我國(guó)采用的第三代半導(dǎo)體材料的說(shuō)法是與人類(lèi)歷史上的由半導(dǎo)體材料大規(guī)模應(yīng)用帶來(lái)的三次產(chǎn)業(yè)革命相對(duì)應(yīng)。目前，第三代半導(dǎo)體正在高速發(fā)展，第一、二代半導(dǎo)體也仍在產(chǎn)業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，發(fā)揮第三代半導(dǎo)體無(wú)法替代的作用。 那么第三代半導(dǎo)體相較第一代、第二代有哪些進(jìn)步？這三代半導(dǎo)體之間有什么技術(shù)區(qū)別？為何氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)在第三代半導(dǎo)體中備受追捧？
 

01

第一代半導(dǎo)體材料

 

興起時(shí)間：二十世紀(jì)五十年代；

代表材料：硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料。

歷史意義：第一代半導(dǎo)體材料引發(fā)了集成電路（IC）為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低，Si 在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制。但第一代半導(dǎo)體具有技術(shù)成熟度較高且具有成本優(yōu)勢(shì)，仍廣泛應(yīng)用在電子信息領(lǐng)域及新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中。

 
硅在光伏領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈

 

02

第二代半導(dǎo)體材料

 

興起時(shí)間：20世紀(jì)九十年代以來(lái),隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料開(kāi)始嶄露頭角。

代表材料：第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體；如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導(dǎo)體（又稱(chēng)非晶態(tài)半導(dǎo)體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體；有機(jī)半導(dǎo)體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

性能特點(diǎn)：以砷化鎵為例，相比于第一代半導(dǎo)體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應(yīng)用在主流的商用無(wú)線(xiàn)通信、光通訊以及國(guó)防軍工用途上。

歷史意義：第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。如相比于第一代半導(dǎo)體，砷化鎵（GaAs）能夠應(yīng)用在光電子領(lǐng)域，尤其在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。

從21世紀(jì)開(kāi)始，智能手機(jī)、新能源汽車(chē)、機(jī)器人等新興的電子科技發(fā)展迅速，同時(shí)全球能源和環(huán)境危機(jī)突出，能源利用趨向低功耗和精細(xì)管理，傳統(tǒng)的第一、二代半導(dǎo)體材料由于自身的性能限制已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足科技的需求，這就呼喚需要出現(xiàn)新的材料來(lái)進(jìn)行替代。
 

03

第三代半導(dǎo)體材料

 

起源時(shí)間：美國(guó)早在1993年就已經(jīng)研制出第一支氮化鎵的材料和器件，而我國(guó)最早的研究隊(duì)伍——中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在1995年也起步該方面的研究，并于2000年做出HEMT結(jié)構(gòu)材料。

代表材料：第三代半導(dǎo)體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（Eg》2.3eV）半導(dǎo)體材料。

發(fā)展現(xiàn)狀：在5G通信、新能源汽車(chē)、光伏逆變器等應(yīng)用需求的明確牽引下，目前，應(yīng)用領(lǐng)域的頭部企業(yè)已開(kāi)始使用第三代半導(dǎo)體技術(shù)，也進(jìn)一步提振了行業(yè)信心和堅(jiān)定對(duì)第三代半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)的投資。

性能分析：與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度(>2.2eV)、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件，可廣泛應(yīng)用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領(lǐng)域，包括射頻通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電源管理、汽車(chē)電子、工業(yè)電力電子等。

 

半導(dǎo)體材料主要性能參數(shù)比較

半導(dǎo)體主要材料及應(yīng)用

第三代半導(dǎo)體中，SiC 與 GaN 相比較，前者相對(duì) GaN 發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些；兩者有一個(gè)很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率，這使得在高功率應(yīng)用中，SiC占據(jù)統(tǒng)治地位；同時(shí)由于GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC 或Si 具有更高的開(kāi)關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN具備優(yōu)勢(shì)。
從下表常用的“優(yōu)值（Figure of Merit, FOM）”可以清晰地看出，SiC和GaN相較于前兩代半導(dǎo)體材料在功能與特性上有了巨大的提升。

*以上優(yōu)值以Si材料為單位1，進(jìn)行了歸一化
 GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應(yīng)用領(lǐng)域上各有側(cè)重和互補(bǔ)。如GaN的高頻Baliga優(yōu)值顯著高于SiC，因此GaN的優(yōu)勢(shì)在高頻小電力領(lǐng)域，集中在1000V以下，例如通信基站、毫米波等。SiC的Keye優(yōu)值顯著高于GaN，因此SiC的優(yōu)勢(shì)在高溫和1200V以上的大電力領(lǐng)域，包括電力、高鐵、電動(dòng)車(chē)、工業(yè)電機(jī)等。在中低頻、中低功率領(lǐng)域，GaN和SiC都可以應(yīng)用，與傳統(tǒng)Si基器件競(jìng)爭(zhēng)。
 

GaN器件主要包括射頻器件、電力電子功率器件、以及光電器件三類(lèi)。GaN的商業(yè)化應(yīng)用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性，相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發(fā)揮GaN寬禁帶半導(dǎo)體特性的主要應(yīng)用領(lǐng)域.
 

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：體積小、高頻高功率、低能耗速度快；5G通信將是GaN射頻器件市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素。

 

5G基站會(huì)用到多發(fā)多收天線(xiàn)陣列方案，GaN射頻器件對(duì)于整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進(jìn)。在高功率，高頻率射頻應(yīng)用中，獲得更高的帶寬、更快的傳輸速率，以及更低的系統(tǒng)功耗此外，GaN射頻功率晶體管，可作為新的固態(tài)能量微波源，替代傳統(tǒng)的2.45GHz磁控管，應(yīng)用于從微波爐到高功率焊接機(jī)等消費(fèi)電子和工業(yè)領(lǐng)域。

2017年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為327億美元，預(yù)計(jì)到2022年達(dá)到426億美元。工業(yè)、汽車(chē)、無(wú)線(xiàn)通訊和消費(fèi)電子是前四大終端市場(chǎng)。

 

SiC從上世紀(jì)70年代開(kāi)始研發(fā)。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT目前還在研發(fā)中。SiC能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開(kāi)關(guān)損耗，因此具有更好的能源轉(zhuǎn)換效率，更容易實(shí)現(xiàn)模塊的小型化，更耐高溫。
SiC功率器件的主要應(yīng)用：智能電網(wǎng)、交通、新能源汽車(chē)、光伏、風(fēng)電；新能源汽車(chē)是SiC功率器件市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素。目前SiC器件在新能源車(chē)上應(yīng)用主要是功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器等方面。
2017年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)總額達(dá)3.99億美元。預(yù)計(jì)到2023年，SiC功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)總額將達(dá)16.44億美元。
 

04

小結(jié)

 

第一、二代半導(dǎo)體技術(shù)長(zhǎng)期共存：現(xiàn)階段是第一、二、三代半導(dǎo)體材料均在廣泛使用的階段。為什么第二代的出現(xiàn)沒(méi)有取代第一代呢？第三代半導(dǎo)體是否可以全面取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料呢？
那是因?yàn)?span lang="EN-US">Si和化合物半導(dǎo)體是兩種互補(bǔ)的材料，化合物的某些性能優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了Si晶體的缺點(diǎn)，而Si晶體的生產(chǎn)工藝又明顯的有不可取代的優(yōu)勢(shì)，且兩者在應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的局限性，因此在半導(dǎo)體的應(yīng)用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優(yōu)點(diǎn)，從而生產(chǎn)出符合更高要求的產(chǎn)品，如高可靠、高速度的國(guó)防軍事產(chǎn)品。因此第一、二代是一種長(zhǎng)期共同的狀態(tài)。
第三代有望全面取代：第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，消費(fèi)電子、照明、新能源汽車(chē)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場(chǎng)看好的同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料。
新基建為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠(chǎng)商提供巨大發(fā)展機(jī)遇：我國(guó)在第三半導(dǎo)體材料上的起步比較晚，且相對(duì)國(guó)外的技術(shù)水平較低。這是一次彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)，但是我國(guó)需要面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)還是很多的。
4月20日，國(guó)家發(fā)改委首次官宣“新基建”的范圍，正式定調(diào)了5G基建、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等七大領(lǐng)域的發(fā)展方向。“新基建”作為新興產(chǎn)業(yè)，一端連接著不斷升級(jí)的消費(fèi)市場(chǎng)，另一端連接著飛速發(fā)展的科技創(chuàng)新。值得注意的是，無(wú)論是5G、新能源汽車(chē)還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等，“新基建”各個(gè)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)都與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。例如：以氮化鎵(GaN)為核心的射頻半導(dǎo)體，支撐著5G基站及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)；以碳化硅(SiC)以及IGBT為核心的功率半導(dǎo)體，支撐著新能源汽車(chē)、充電樁、基站/數(shù)據(jù)中心電源、特高壓以及軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)；以AI芯片為核心的SOC芯片，支撐著數(shù)據(jù)中心、人工智能系統(tǒng)的建設(shè)。
不難看出，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為首的第三代半導(dǎo)體是支持“新基建”的核心材料。在“新基建”與國(guó)產(chǎn)替代的加持下，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠(chǎng)商將迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。