第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

 
01 那么第三代半導(dǎo)體材料究竟是什么呢？ 在國際上一般把禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3 eV 的半導(dǎo)體材料稱之為寬禁帶半導(dǎo)體材料也稱第三代半導(dǎo)體材料。常見的第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料以硅（Si）為代表，經(jīng)過長期的發(fā)展徹底取代了笨重的電子管，從而推動(dòng)了以集成電路為核心的微電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展；第二代半導(dǎo)體材料則以砷化鎵（GaAs）和銻化銦（InSb）等為主，其中磷化銦半導(dǎo)體激光器是光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，而砷化鎵高速器件更開拓了光纖及移動(dòng)通信新產(chǎn)業(yè)。 02 第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn) 
第三代半導(dǎo)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(qiáng)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(xué)性能），“寬禁帶（Wide Band-Gap，WBG）”也是業(yè)內(nèi)之所以重視第三代半導(dǎo)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(dǎo)電性能強(qiáng)、工作速度快、工作損耗低。 國內(nèi)之所以用“代”這個(gè)詞來劃分半導(dǎo)體材料，主要是受到半導(dǎo)體材料的大規(guī)模應(yīng)用所推動(dòng)的第三次產(chǎn)業(yè)革命所影響，雖然第三代半導(dǎo)體在高溫、強(qiáng)輻射、大功率等特殊場(chǎng)景中有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)，但目前硅材料仍占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)位置，因?yàn)楣璨牧显诳煽啃院驼w性上有著其他半導(dǎo)體材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)。 第三代半導(dǎo)體的難點(diǎn)不在于設(shè)備和邏輯電路設(shè)計(jì)，而是在走向大規(guī)模商用時(shí)，如何降低襯底的價(jià)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(fā)流程。 第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈主要分為襯底-外延-設(shè)計(jì)-制作-封裝，其中襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，主要用于物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)電；外延則是在襯底材料上生長出來的新半導(dǎo)體晶層，外延層就是制造半導(dǎo)體材芯片的重要原料；設(shè)計(jì)主要包括器件設(shè)計(jì)和集成電路設(shè)計(jì)，其中器件設(shè)計(jì)包括半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、材料；制造就是通過光刻、薄膜沉積、刻蝕等復(fù)雜工藝流程在外延片上制作出設(shè)計(jì)好的器件結(jié)構(gòu)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(jià)格和如何日高尺寸就是碳化硅目前的主要難點(diǎn)，目前規(guī)模化生長碳化硅單晶主要采用物理氣相輸運(yùn)法（PVT）或籽晶的升華法。碳化硅生長爐的技術(shù)指標(biāo)和工藝過程中的籽晶制備、生長壓力控制、溫度場(chǎng)分布控制等因素，決定了單晶質(zhì)量和主要成本。 SiC材料對(duì)于生產(chǎn)工具的要求，造成了加工時(shí)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(jī)械加工，主要以金剛石磨料為基礎(chǔ)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(jié)合劑固結(jié)金剛石磨料的方法，或者通過樹脂固結(jié)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(zhì)量，往往采用微量或極低速進(jìn)給量，這就犧牲了整體的生產(chǎn)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(fā)流程，就是氮化鎵的主要難點(diǎn)，GaN同質(zhì)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(chǎn)GaN襯底的主流。大多數(shù)可以商業(yè)化方式提供GaN 均勻襯底都是通過這種方法生產(chǎn)的。該技術(shù)具有設(shè)備簡單、生長速度快、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）技術(shù)可以生長出均勻、大尺寸的厚膜。目前，該技術(shù)已經(jīng)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(zhì)外延生長器件結(jié)構(gòu)的襯底。 03 第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用領(lǐng)域 
第三代半導(dǎo)體材料目前主要可以應(yīng)用于光電、電力電子、以及微波射頻三大領(lǐng)域，其中光電領(lǐng)域是到目前為止應(yīng)用最成熟的領(lǐng)域，不僅有著高達(dá)數(shù)千億美元的規(guī)模，更是一場(chǎng)成功的技術(shù)革命，目前應(yīng)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(shù)上的缺陷，但是具備新的市場(chǎng)想象空間，所以被業(yè)內(nèi)仍寄予厚望。 其次就是功率器件領(lǐng)域，也就是電力電子，如今廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發(fā)、工業(yè)電機(jī)、數(shù)據(jù)中心、家用電器、移動(dòng)電子設(shè)備等國家經(jīng)濟(jì)與國民生活的方方面面，是工業(yè)體系中不可或缺的核心半導(dǎo)體產(chǎn)品。 其中的SiC 功率器件被認(rèn)為未來最大的應(yīng)用市場(chǎng)在新能源汽車，主要是功率控制單元（PCU）、逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)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(diǎn)，在消費(fèi)電子充電器、新能源充電樁、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用潛力。 最后就是微波射頻領(lǐng)域，它主要涵蓋的是各個(gè)高科技領(lǐng)域，如汽車?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通訊、5G****、預(yù)警探測(cè)等，由于5G的不斷推進(jìn)，這類擁有SiC的寬禁帶材料性能優(yōu)勢(shì)的材料的重要程度更進(jìn)一步。 04 第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀 
隨著第三代半導(dǎo)體的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)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(dǎo)，但隨著中美貿(mào)易的不斷深入，國家對(duì)第三代半導(dǎo)體的重視程度也越來越高，其中還誕生了一些非常優(yōu)秀的產(chǎn)業(yè)，如天科合達(dá)、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(dǎo)體材料方面距離國際一線水平還有著很大的距離，在生產(chǎn)設(shè)備方面幾乎所有的晶圓代工廠都會(huì)用到美國公司的設(shè)備，2019年全球前5名芯片設(shè)備生產(chǎn)商3家來自美國；而中國的北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、上海微電子等中國優(yōu)秀的芯片公司只是在刻蝕設(shè)備、清洗設(shè)備、光刻機(jī)等部分細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，設(shè)備領(lǐng)域的國產(chǎn)化率還不到20%。在應(yīng)用材料方面，美國已連續(xù)多年位列第一，中國的高端光刻膠幾乎依賴進(jìn)口，全球五大硅晶圓的供應(yīng)商占據(jù)了高達(dá)92.8%的產(chǎn)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(dǎo)體材料在21世紀(jì)初才開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(jī)會(huì)。 文章來源：1.《第三代半導(dǎo)體來勢(shì)洶洶 前代材料將全面退賽？》-科技日?qǐng)?bào)2.《第三代半導(dǎo)體制造的工藝難點(diǎn)、應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)鏈》-拾點(diǎn)半導(dǎo)體（石大小生）