近年來(lái)，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)寬禁帶化合物為代表的第三代半導(dǎo)體材料正憑借其優(yōu)越的性能和巨大的市場(chǎng)前景，成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。
如今，以第三代半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的新興技術(shù)正迅速崛起。其技術(shù)及應(yīng)用的突破成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地，各國(guó)政府紛紛加緊在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的部署。面對(duì)各方力量的蜂擁而至，第三代半導(dǎo)體材料究竟將掀起一場(chǎng)怎樣的技術(shù)革命？我國(guó)在布局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域又將面臨哪些突破和瓶頸？
第三代半導(dǎo)體材料優(yōu)勢(shì)明顯
回顧半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，其先后經(jīng)歷了以硅(Si)為代表的第一代半導(dǎo)體材料，以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料，在上個(gè)世紀(jì)，這兩代半導(dǎo)體材料為工業(yè)進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。而如今，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅、金剛石、氮化鋁為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料被統(tǒng)稱為第三代半導(dǎo)體材料。
作為一類新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域擁有前兩代半導(dǎo)體材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：如具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。
從應(yīng)用范圍來(lái)說(shuō)，第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域還具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性大等特點(diǎn)。在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，是支撐信息、能源、交通、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料。
作為新一代半導(dǎo)體照明的關(guān)鍵器件，第三代半導(dǎo)體材料還具有廣泛的基礎(chǔ)性和重要的引領(lǐng)性。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來(lái)看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料，也是最具有發(fā)展前景的兩種材料。
與第一代半導(dǎo)體材料硅相比，碳化硅有諸多優(yōu)點(diǎn)：有高10倍的電場(chǎng)強(qiáng)度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，使其小至LED照明、家用電器、新能源汽車，大至軌道交通、智能電網(wǎng)、軍工航天都具備優(yōu)勢(shì)，所以碳化硅市場(chǎng)被各產(chǎn)業(yè)界頗為看好。
而氮化鎵直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點(diǎn)則使其擁有更快的研發(fā)速度。兩者的不同優(yōu)勢(shì)決定了應(yīng)用范圍上的差異，在光電領(lǐng)域，氮化鎵占絕對(duì)的主導(dǎo)地位，而在其他功率器件領(lǐng)域，碳化硅適用于1200V以上的高溫大電力領(lǐng)域，GaN則更適用900V以下的高頻小電力領(lǐng)域�？芍^各有優(yōu)勢(shì)。
有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體
從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，第一代半導(dǎo)體硅（Si），主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)運(yùn)算領(lǐng)域，第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs），主要應(yīng)用在通信領(lǐng)域，兩者都有一定的局限性，而第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以其高溫下的穩(wěn)定性、高效的光電轉(zhuǎn)化能力、更低的能量損耗等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)論是消費(fèi)電子設(shè)備、照明、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，還是導(dǎo)彈和衛(wèi)星，都對(duì)這種高性能的半導(dǎo)體有著極大的期待，未來(lái)有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。
“第三代半導(dǎo)體材料已展現(xiàn)出極其重要的戰(zhàn)略性應(yīng)用價(jià)值，有望突破第一、二代半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展瓶頸，創(chuàng)新開(kāi)拓時(shí)代需求的新技術(shù)領(lǐng)域，不僅在信息領(lǐng)域，而且進(jìn)入到能源領(lǐng)域發(fā)揮極為重要的作用�！蹦暇┐髮W(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院鄭有炓院士曾指出。
如碳化硅（SiC）材料應(yīng)用在高鐵領(lǐng)域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積；應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，可降低能耗20%；應(yīng)用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能50%；應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率20%；應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上……
“碳化硅器件在高溫、高壓、高頻、大功率器件以及航天、軍工、核能、新能源汽車、LED照明等領(lǐng)域有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。”臺(tái)州市一能科技有限公司創(chuàng)始人張樂(lè)年談及半導(dǎo)體級(jí)碳化硅原料項(xiàng)目時(shí)說(shuō)到�！白鳛榭萍疾�863計(jì)劃第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用的基礎(chǔ)原料，碳化硅原料的國(guó)產(chǎn)化，將加快碳化硅器件的普及，既節(jié)約60座以上核電站的電力以及減少10%以上石油消耗，又能夠使中國(guó)在價(jià)值4000億美元的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位�！�
另一種材料氮化鎵(GaN)，由于具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度，也被廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正(PFC)、軟開(kāi)關(guān)DC-DC等電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及電源適配器、光伏逆變器或太陽(yáng)能逆變器、服務(wù)器及通信電源等終端領(lǐng)域。
GaN提供高電子遷移率，這意味著開(kāi)關(guān)過(guò)程的反向恢復(fù)時(shí)間可忽略不計(jì)，因而表現(xiàn)出低損耗并提供高開(kāi)關(guān)頻率，而低損耗加上寬禁帶器件的高結(jié)溫特性，可降低散熱量，高開(kāi)關(guān)頻率可減少濾波器和無(wú)源器件如變壓器、電容、電感等的使用，最終減小系統(tǒng)尺寸和重量，提升功率密度，有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)緊湊的高能效電源方案。
機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存
在巨大優(yōu)勢(shì)和光明前景的刺激下，目前全球各國(guó)均在加大馬力布局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，但我國(guó)在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)度還比較緩慢，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)亟待突破。
“最大的瓶頸是原材料。”中科院半導(dǎo)體研究所研究員、中國(guó)電子學(xué)會(huì)半導(dǎo)體與集成技術(shù)分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)王曉亮認(rèn)為，我國(guó)原材料的質(zhì)量、制備問(wèn)題亟待破解。此外，湖南大學(xué)應(yīng)用物理系副教授曾健平也表示，目前我國(guó)對(duì)SiC晶元的制備尚為空缺，大多數(shù)設(shè)備靠國(guó)外進(jìn)口。
“國(guó)內(nèi)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國(guó)外相比水平較低，阻礙國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的重要因素是原始創(chuàng)新問(wèn)題�！眹�(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟一專家表示，國(guó)內(nèi)新材料領(lǐng)域的科研院所和相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長(zhǎng)期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。因此，以第三代半導(dǎo)體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱。
原始創(chuàng)新即從無(wú)到有的創(chuàng)新過(guò)程，其特點(diǎn)是投入大、周期長(zhǎng)。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。然而生長(zhǎng)SiC晶體難度很大，雖然經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的研究發(fā)展，到目前為止仍只有美國(guó)的Cree公司、德國(guó)的SiCrystal公司和日本的新日鐵公司等少數(shù)幾家公司掌握了SiC的生長(zhǎng)技術(shù)，能夠生產(chǎn)出較好的產(chǎn)品，但離真正的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也還有較大的距離。因此，以第三代半導(dǎo)體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大桎梏。
“第三代半導(dǎo)體對(duì)我們國(guó)家未來(lái)產(chǎn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，其應(yīng)用技術(shù)的研究比較關(guān)鍵，若相關(guān)配套技術(shù)及產(chǎn)品跟不上，第三代半導(dǎo)體的材料及器件的作用和效率可能會(huì)發(fā)揮不好，所以要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。”中興通訊副總裁晏文德表示。
是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。未來(lái)，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將面臨許許多多的難題。就像北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)中心沈波教授所說(shuō)，當(dāng)前我國(guó)發(fā)展第三代半導(dǎo)體面臨的機(jī)遇非常好，因?yàn)檫^(guò)去十年，在半導(dǎo)體照明的驅(qū)動(dòng)下，氮化鎵無(wú)論是材料和器件成熟度都已經(jīng)大大提高，但第三代半導(dǎo)體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長(zhǎng)的路要走，市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)剛剛啟動(dòng)，我們還面臨巨大挑戰(zhàn)，必須共同努力。
