邁向全新的產業時代 三問三答第三代半導體材料

張平

你聽說過第三代半導體嗎？在一般的認知中，第一代半導體是由硅、鍺這樣的材料構成，第二代半導體包括砷化鎵、磷化鎵，所謂第三代半導體則是以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅和金剛石為主。那么，第三代半導體相比前兩代半導體的優勢是什么，又有哪些重要的特性呢？今天本文就帶你一起來了解這些內容。

近期，阿里巴巴旗下的達摩院提出了“2021年十大科技趨勢”，其中排名第一的是“以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體材料迎來應用大爆發”。對于這種全新的材料，我們自然有很多疑問?？赐瓯疚?，大家就能對它們有初步認知了。

問題一：為什么叫“第三

代”半導體材料？

所謂第三代半導體，是指從材料角度而言的發展代次。其中，第一代半導體材料是以硅和鍺為代表，第二代半導體材料是砷化鎵和磷化銦的應用為主，第三代材料則包括碳化硅、氮化鎵、氮化鋁等。在很多文章中，第三代半導體中的“第三代”往往成為讓人迷惑的地方，尤其是傳統概念“一代更比一代強”更加會讓人覺得第三代半導體材料相比此前的材料有著全面的優勢。但實際情況并非如此，目前對新材料的“第三代”命名有可能是屬于市場手段，或者翻譯、轉譯方面的失誤。從技術角度或者應用角度來看，目前所謂的“第三代”半導體，更應該被叫做“第三類”半導體材料。

從目前的實際情況來看，鍺材料在早期的半導體應用中還比較廣泛，不過隨著高純度硅材料的生產和制備越來越成熟和便宜，目前絕大部分集成電路都是基于硅材料來實現相應功能的。因此，所謂的“第一代”半導體材料依舊有著廣泛的應用，并且在目力可及的未來，也沒有看到它們有衰退或者被替代的跡象。與之類似的是所謂“第二代”半導體材料，主要被用在功率放大器或者LED產品中，相對于硅材料，“第二代”半導體材料開創了自己獨特的應用領域，擴大了半導體產品的應用范圍。第三代半導體材料也是如此，碳化硅、氮化鎵等材料多應用在高電壓、大功率、高頻率產品方面，也開創了屬于自身擅長的應用范圍。

當然，除了上述“第N代”半導體材料外，目前也不斷有新的半導體材料涌現出來，這些產品的用途非常獨特，制造難度也很大，目前還處在進一步研發過程中，因此，很可能未來還有所謂的“第四代”半導體材料出現。

在一些學術會議中，第三代半導體材料的英文翻譯是“寬禁帶半導體”材料。從材料性質角度來看，“寬禁帶”才是真正的第三代半導體的最大特點。那么，什么是寬禁帶呢？

問題二：什么是寬禁帶？它的獨特性質是什么？

要說清楚禁帶，首先我們得了解一些基本的晶體結構和量子力學的知識。下面本文盡量以簡單和方便理解的描述方法進行解釋。根據量子力學最基本的假設，能量在原子、電子這個級別的微觀尺度下是不連續的。舉例來說，以氫原子為例，氫原子外電子的能級從最低的-13.6E/eV開始，一直到-3.4E/eV、-1.51E/eV、-0.85E/eV，然后到0。可以看到，氫原子外電子的4個能級分布是不連續的。

剛才的能級數據，是指單原子體系中的情況，考察的是一個孤立原子。實際上我們遇到的無論是材料也好，日常生活中的物品也好，不可能只有一個原子，往往是多個原子組成的一個體系?，F在假設某個材料幾乎由同類型的原子組成，比如高純度的硅，幾乎都是硅原子。那么在這個體系中，對單個原子來說，其外的電子能級也是不連續的、確定的。比如硅原子外的電子擁有a、b、c、d、e等多個能級。當多個原子放在一起的時候，這些原子之間存在相互影響，原子之外的電子能級也會發生微小的移動，但是即使存在這樣的移動，位于相近能級的電子的實際數據差值也非常微小。舉例來說，硅原子外的a能級是xE/eV，那么和它相似的電子能級數據可能是x+0.01E/eV、x-0.01E/eV，或者x+0.02E/eV、x-0.02E/eV。這樣一來，所有處于近似能級的電子的能級數據，就形成了一個能帶。

這樣一來，我們就得到了能級、能帶兩個概念。我們還可以用另一個例子來說明能級和能帶的關系。比如地鐵運行班次為5分鐘一班，一個固定的能級可以看成是9：00發車的那班地鐵上某個旅客所處的位置。一個能帶就是這班地鐵列車6節車廂上的所有乘客。對于這6節地鐵車廂中的乘客來說，他們的位置是有差別的，有人在車頭，有人在車尾，還有在中間的，但是他們總是在同一個列車上，幾乎沒有可能跑去下一班，也就是9：05開出來的地鐵上。那么，9：00和9：05這兩列地鐵之間的間隔，就叫做禁帶。

現在，我們知道了什么是禁帶。也就是說，兩個能帶之間的部分就叫做禁帶。在這里，還有兩個概念需要解釋一下。首先是滿帶，它是指電子在電子填充能帶的時候，往往會從最低的能級向高的能級開始填充，之前的能級沒有填滿的時候，是不會專門去高能級的。那么，這些被填滿的能帶，就叫做滿帶。這也很好理解。比如大家都去地鐵站排隊，9：00的地鐵出發之前，一定是滿滿當當塞滿了乘客的，如果是諸如北京宋家莊、廣州體育西路這種地鐵站，可能乘客是被擠上去的而不是自己走上去的。這種乘客全滿的地鐵，就被看作一個滿帶。另一個概念是價帶，價帶是滿帶中能量最高的一條。舉例來說，也就是所有坐滿了乘客的地鐵中最擁擠的那個，可能馬上就有人要被擠暈過去了，這輛車就可以被看作價帶。

但是還有一個問題。比如，9：00的地鐵裝滿了，但是9：05的地鐵還基本空著。當它們隔得很遠的時候，我們說這兩個車之間的乘客不可能流動（雖然現實也不可能），那這種情況可以被看作是價帶和下一個能帶之間是完全阻斷了流動的，它們的禁帶特別寬，這就是絕緣體，電子不可能在如此寬的禁帶之間流動。

但是存在這樣一種情況，那就是9：00擠滿人的地鐵和9：05基本空著的地鐵，雖然隔開了，但是中間的間隔很短。結果就有膽大的人說太擠了，我要翻窗出去到下一個車上去，結果還成功了，乘客在9：05的地鐵中自由選座，這個時候9：05的車就被稱作導帶，這種情況就是半導體的基本結構。對半導體來說，禁帶寬度不大，在有條件的情況下，價帶的電子能夠躍遷到下一個能帶上，并可以在新的能帶上自由的流動，新的能帶就被稱為導帶。

對于導體來說，這個情況就更有趣了。它的禁帶幾乎不存在，價帶和導帶是重合的。比如9：00的地鐵擠滿人開出去后，發現9：05的地鐵直接掛在后面還打開了車門，這樣大家都跑到后一個空車上去坐了。電子自由流動，這就是導體。在解釋清楚能級、能帶、禁帶、價帶、導帶等概念后。我們再進一步來看有關寬禁帶半導體材料的概念。根據剛才的解釋，半導體材料的禁帶比導體寬，但是又和絕緣體那種徹底斷絕的情況完全不同，它可以在有條件的情況下變成導體。一般來說，半導體中禁帶相對較窄的，就是諸如砷化鎵、硅、鍺這種材料。比如硅材料的禁帶寬度為1.12eV、鍺更窄一些，只有0.67eV，砷化鎵也只有1.43eV。半導體材料中禁帶相對較寬的，就是所謂的“第三代”半導體材料了。比如氮化鎵的禁帶寬度為3.37eV、4H-SiC是3.26eV、6H-SiC是3eV、3C-SiC則是2.2eV，氮化鋁更高一些，高達6.2eV。

禁帶寬度更高，又有什么獨特的優勢呢？從上文的解釋來看，禁帶寬度高，意味著激發難度要高一些，但是同時也意味著從不導通到導通的激發所需要的能量更大，因此能夠在更高的電壓下工作，同時也能夠耐受更高的溫度。不僅如此，相對于同樣功能的硅材料，新的寬禁帶半導體材料在同樣的電流和電壓下尺寸更小，體積更小、各類參數包括寄生電容都更小，因此充電速度、導通速度都更快，反向恢復電流也會更小一些，總的來看整體開關損耗也會變小，工作頻率也會更高。一般來說，寬禁帶材料工作溫度往往可以達到200°C以上，可以在部分條件下工作在最高600°C的環境中，相比硅材料在100°C左右就會失去效用來看，新的寬禁帶材料能夠在高頻率、高電壓和高溫度的環境下正常工作，且能達到更高的效率。

具體來說，比如碳化硅，在高功率的領域優勢明顯。和傳統硅材料相比，碳化硅的有10倍以上的臨界電場擊穿強度，3倍左右的禁帶寬度，因此耐壓能力是同等硅器件的10倍以上，其消極特耐壓管甚至可以耐受2400V的高壓，場效應管甚至可以耐受上萬伏特的高壓，很適合在高壓場合使用，替代傳統材料，降低成本、縮小體積且提高效率。另外，氮化硅也是目前研發的重點材料，主要用于射頻、功率和光電子。相比傳統材料，氮化硅可以在更高的頻率、功率和溫度下穩定工作，氮化硅射頻放大器兼具硅材料產品的大功率和砷化鎵材料高頻率的特點，可以說是集各種優勢于一身。

問題三：第三代半導體的用途是什么？

在前面的2個問題中，我們了解到了什么是第三代半導體，什么是寬禁帶以及寬禁帶半導體材料的一些基本性質。那么問題也就來了，第三代半導體或者說寬禁帶半導體材料究竟能夠應用在哪些領域，并獲得什么優勢呢？

需要先說明的是，由于材料性質、功能和應用場景的差異，目前的寬禁帶半導體材料不太可能和現有的硅材料相互替換，它只能是開創一個全新的應用領域，或者帶來相對之前部分材料更好的使用效果。一些研究顯示，寬禁帶半導體材料能夠應用的范圍包括軍工、新能源汽車、消費電子、家用電器、照明、智能電網等，非常寬泛。著眼于現在的話，目前包括半導體照明、激光器、電力電子器件、太陽能電池等產業上，寬禁帶半導體材料有顯著優勢，下面我們簡單介紹一些。

在激光器的制造和研發中如何實現大功率、低成本和短波長一直是比較困難的。但是氮化物半導體激光器的出現，可能在很大程度上解決這個難題。比如綠光激光由于在水中衰減小，因此可用于深海光無線通信，保密性好且抗干擾，目前綠光激光器的突破點在于使用氮化鎵襯底的高銦組分同質外延和二次外延技術，達到銦含量35%以上，能夠激發波長達到510～530nm的綠光激光。在用于光盤刻錄和數據存儲的藍光和紫外光方面，采用高質量、高鋁組分的鋁氮化鎵外延制備技術能夠實現激發波長280nm～300nm的紫外激光。這些新材料和新技術的應用在之前都是非常困難的，寬禁帶半導體材料的到來很大程度上解決了這個問題。在半導體照明方面，目前雖然氮化鎵類型的LED和相關產品的發展已經非常成熟，但是進一步研究發現繼續引入新的材料和工藝，還能夠帶來更高的光效、更低的成本和更可靠、更多元化應用前景。比如碳化硅也可以結合氮化鎵外延襯底使用帶來更出色的效能。

在5G方面，由于數據流量大增、帶寬大增，因此對射頻元器件的要求非常高，比如在更高的頻率下長期穩定工作，工作環境溫度更為嚴苛等。傳統的LDMOS不適用于高頻段，砷化鎵不適合在高功率下運行，在這種情況下，只有氮化鎵為主的寬禁帶半導體材料才能滿足未來5G時代通信發展的需求。因此一些行業資料顯示，從2017年到2023年，寬禁帶半導體材料將以每年接近23%的速度成長，市場前景極為廣闊。在汽車電子方面，寬禁帶半導體材料也大有可為。由于新材料耐高壓、耐高溫以及高頻率的特性，可以使得芯片面積大幅度減少、簡化汽車電子相關電路設計并最終起到減少模組以及減少周邊輔助零配件的作用。此外，全新的材料還帶來了更高的能源轉換效率，使得純電汽車能夠運行更長的里程。目前汽車電子方面最熱門的材料還是氮化鎵和碳化硅，其中后者現階段主要用于賽車，還在進一步降低成本和研發導入。前者氮化鎵主要可以用于汽車的電源管理芯片、充電管理芯片等，能夠帶來極為優秀的實際體驗。

在光伏電池方面，寬禁帶半導體材料也有獨特的作用。由于銦、鎵、氮的使用，使得太陽能電池的光學帶隙可連續調節，特別適合制作多結層疊太陽能光伏電池，實現全太陽可見光譜的能量吸收和利用，提高電池轉換效率，其理論轉換高達70%，遠超現在硅基材料，并且還擁有獨特的抗輻射特性，更適合用

在外太空的衛星、空間站等場合。其他諸如白電、軍事工業、智能家居、高鐵等方面，寬禁帶半導體材料也能發揮作用。無論是開拓新的應用領域還是替代傳統的產品，新材料總能帶來驚喜。不過，雖然寬禁帶半導體材料擁有諸多優勢，但是其在生產、制造和應用上還存在很多難題，比如碳化硅的制造、氮化鎵的制造等，都遠比傳統硅基半導體材料更困難、速度更慢且產量更低。在應用方面，新的材料制成的零配件如何與之前的產品結合，也需要進一步的研究才能更好地適應應用場景的變化。

總的來說，第三代半導體材料的出現，是在第一代、第二代半導體材料的基礎上，拓展而出的、擁有更獨特優勢和更高性能的產品。它們的應用有望將相關產品引入全新的領域，并且在性能、工作環境和壽命方面實現全新的突破。2021年乃至未來的數年，第三代半導體材料也就是寬禁帶半導體材料有望大爆發，我們也會持續關注。