碳化硅VS氮化鎵，寬禁帶半導(dǎo)體材料雙雄能否帶中國實(shí)現(xiàn)彎道超車？

　　在現(xiàn)實(shí)世界中，沒有人可以和“半導(dǎo)體”撇清關(guān)系。雖然這個(gè)概念聽上去可能顯得有些冰冷，但是你每天用的電腦，手機(jī)以及電視等等，都會(huì)用到半導(dǎo)體元件。半導(dǎo)體的重要性自不必說，今天我們來說一下半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中一個(gè)很關(guān)鍵的組成部分，那就是半導(dǎo)體材料。

　　半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要材料。其發(fā)展經(jīng)過了三個(gè)主要階段：以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料、以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料、以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料。第三代半導(dǎo)體材料在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)的進(jìn)步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮?、第二代半?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

　　今天我們主要說的就是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。

　　第三代半導(dǎo)體材料—寬禁帶半導(dǎo)體材料

　　當(dāng)前，電子器件的使用條件越來越惡劣，要適應(yīng)高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。近年來，新發(fā)展起來了第三代半導(dǎo)體材料--寬禁帶半導(dǎo)體材料，該類材料具有熱導(dǎo)率高、電子飽和速度高、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等特點(diǎn)，這就從理論上保證了其較寬的適用范圍。目前，由其制作的器件工作溫度可達(dá)到600 ℃以上、抗輻照1×106 rad;小柵寬GaN HEMT 器件分別在4 GHz下，功率密度達(dá)到40 W/mm;在8 GHz，功率密度達(dá)到30 W/mm;在18 GHz，功率密度達(dá)到9.1 W/mm;在40 GHz，功率密度達(dá)到10.5 W/mm;在80.5 GHz，功率密度達(dá)到2.1 W/mm，等。因此，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)已成為當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型動(dòng)力。

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導(dǎo)體硅材料替代品的任務(wù)變得非常緊迫。在多位選手輪番登場(chǎng)后，有兩位脫穎而出，它們就是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)——并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。

　　碳化硅材料

　　碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。

　　SiC器件和電路具有超強(qiáng)的性能和廣闊的應(yīng)用前景，因此一直受業(yè)界高度重視，基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面。目前，國際上實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國的Cree公司、Bandgap公司、Dow Dcorning公司、II-VI公司、Instrinsic 公司;日本的Nippon公司、Sixon公司;芬蘭的Okmetic公司;德國的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市場(chǎng)占有率超過85%。在所有的碳化硅制備廠商中以美國Cree公司最強(qiáng)，其碳化硅單晶材料的技術(shù)水平可代表了國際水平，專家預(yù)測(cè)在未來的幾年里Cree公司還將在碳化硅襯底市場(chǎng)上獨(dú)占鰲頭。美國Cree公司1993年開始有6H碳化硅拋光片商品出售，過去的十幾年里不斷有新品種加入，晶型由6H擴(kuò)展到4H;電阻率由低阻到半絕緣;尺寸由2寸到6寸，150 mm(6英寸)拋光片已投入市場(chǎng)。

　　氮化鎵材料

　　氮化鎵

　　氮化鎵(GaN、Gallium nitride)是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導(dǎo)體，在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它在一個(gè)元胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的1/2;其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解;在HCl或H2下高溫中呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2 下最為穩(wěn)定。GaN材料具有良好的電學(xué)特性，寬帶隙(3.39eV)、高擊穿電壓(3×106 V/cm)、高電子遷移率(室溫1000 cm2/V·s)、高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013 cm-2)等，因而被認(rèn)為是研究短波長(zhǎng)光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優(yōu)選材料，相對(duì)于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作。另外，氮化鎵器件可以在1～110GHz范圍的高頻波段應(yīng)用，這覆蓋了移動(dòng)通信、無線網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)微波通信、雷達(dá)應(yīng)用等波段。近年來，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領(lǐng)域和微波器件方面的應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注。

　　作為一種具有獨(dú)特光電屬性的半導(dǎo)體材料，GaN的應(yīng)用可以分為兩個(gè)部分：憑借GaN半導(dǎo)體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半導(dǎo)體材料;憑借GaN半導(dǎo)體材料寬禁帶、激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)開發(fā)新的光電應(yīng)用產(chǎn)品。目前GaN光電器件和電子器件在光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印、高亮度LED以及無線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管是當(dāng)前器件制造領(lǐng)域最為感興趣和關(guān)注的。

　　GaN功率器件的制作工藝與GaAs工藝相似度高，甚至很多設(shè)備都是同時(shí)支持兩種材料的工藝，因此，很多GaAs器件廠商逐漸增加GaN器件業(yè)務(wù)。目前，整個(gè)GaN功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)處于起步階段，各國政策都在大力推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國際半導(dǎo)體大廠也紛紛將目光投向GaN功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，關(guān)于GaN器件廠商的收購、合作不斷發(fā)生，650V以下的平面型HEMT器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

　　碳化硅與氮化鎵的優(yōu)缺點(diǎn)：