第一代、第二代和第三代半導(dǎo)體知識(shí)科普

半導(dǎo)體原材料經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：

第一階段是以硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導(dǎo)體材料

第二階段以砷化鎵等化合物為代表磷化銦(磷化銦)

第三階段是基于寬帶半導(dǎo)體材料，如氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、硒化鋅(ZnSe)

半導(dǎo)體材料與器件的發(fā)展史

材料領(lǐng)域中，第一代、第二代、第三代沒有“一代更比一代好”的說法。氮化鎵、碳化硅等材料在國(guó)外一般稱為寬禁帶半導(dǎo)體。 將氮化鎵、氮化鋁、氮化銦及其混晶材料制成氮化物半導(dǎo)體，或?qū)⒌?、砷化鎵、磷化銦制成Ⅲ—Ⅴ族半?dǎo)體。我國(guó)使用的“第三代半導(dǎo)體材料”一詞，對(duì)應(yīng)的是人類歷史上大規(guī)模應(yīng)用半導(dǎo)體材料所帶來(lái)的三次產(chǎn)業(yè)革命。目前，第三代半導(dǎo)體發(fā)展迅速，第一、第二代半導(dǎo)體在工業(yè)中仍得到廣泛應(yīng)用，在第三代半導(dǎo)體中發(fā)揮著不可替代的作用。

那么第三代半導(dǎo)體與第一代、第二代相比有哪些進(jìn)步呢?這三代半導(dǎo)體在技術(shù)上有什么不同?為什么在第三代半導(dǎo)體中要選擇GaN和SiC?

第三代半導(dǎo)體

第一代半導(dǎo)體材料

崛起時(shí)間：

20世紀(jì)50年代

代表性材料：

硅(Si)、鍺(Ge)半導(dǎo)體材料

歷史意義：

第一代半導(dǎo)體材料引發(fā)了以集成電路(IC)為核心的微電子領(lǐng)域的飛速發(fā)展

由于硅材料的窄禁帶、低電子遷移率和擊穿電場(chǎng)，使其在光電子學(xué)和高頻大功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用受到許多限制。但第一代半導(dǎo)體具有較高的技術(shù)成熟度和成本優(yōu)勢(shì)，在電子信息、新能源、硅光伏等行業(yè)領(lǐng)域仍有廣泛應(yīng)用。

第二代半導(dǎo)體材料

崛起時(shí)間：

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展，以光纖通信和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息高速公路的興起，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始涌現(xiàn)。。

代表性材料：

第二代半導(dǎo)體材料為化合物半導(dǎo)體。如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)。砷化鎵鋁。也有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge—Si、Ga As—GaP。玻璃半導(dǎo)體(又稱非晶半導(dǎo)體)，如非晶硅、玻璃狀氧化物半導(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。與第一代半導(dǎo)體相比，砷化鎵具有高頻、耐輻射、耐高溫等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于主流商用無(wú)線通信、光通信，以及國(guó)防軍事等領(lǐng)域。

歷史意義：

第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、高頻、大功率和發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件和發(fā)光器件的優(yōu)良材料。由于信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。例如，與第一代半導(dǎo)體相比，砷化鎵(GaAs)可用于光電子領(lǐng)域，特別是在紅外激光器和高亮度紅光二極管中。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，智能手機(jī)、新能源汽車、機(jī)器人等新興電子技術(shù)迅猛發(fā)展。與此同時(shí)，全球能源和環(huán)境危機(jī)也日益突出。材料的性能限制已不能滿足科學(xué)技術(shù)的需要，這就呼喚新材料的出現(xiàn)來(lái)代替。

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)研制出第一個(gè)氮化鎵材料和器件，而我國(guó)最早的研究團(tuán)隊(duì)中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所也于1995年開始這方面的研究，并于2000年Make HEMT結(jié)構(gòu)材料。

代表性材料：

第三代半導(dǎo)體材料主要是寬禁帶(例如>2.3eV)以碳化硅(SiC)為代表的半導(dǎo)體，氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石和氮化鋁(AlN)。材料。

發(fā)展現(xiàn)狀：

在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應(yīng)用需求明確的推動(dòng)下，應(yīng)用領(lǐng)域的龍頭企業(yè)紛紛開始使用第三代半導(dǎo)體技術(shù)，這進(jìn)一步提振了行業(yè)信心，堅(jiān)定了投資第三代半導(dǎo)體技術(shù)路線的決心。

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、更高的電子飽和率和更高的耐輻射性，更適合制作耐高溫、高頻、大功率和耐輻射器件，并可廣泛應(yīng)用于高壓、高頻、高溫和高可靠性領(lǐng)域，包括射頻通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。

半導(dǎo)體材料主要性能參數(shù)比較

第三代半導(dǎo)體

半導(dǎo)體主要材料及應(yīng)用

在第三代半導(dǎo)體中，與GaN相比，SiC的開發(fā)早于GaN，其技術(shù)成熟度也更高。兩者之間的一個(gè)很大的區(qū)別是導(dǎo)熱性，這使得SiC在高功率應(yīng)用中占據(jù)了至高無(wú)上的地位。同時(shí)，由于GaN具有更高的電子遷移率，它可以比SiC或Si具有更高的開關(guān)速度。在高頻應(yīng)用中，GaN具有優(yōu)勢(shì)。

從下表中常用的“品質(zhì)因數(shù)(FOM)”可以清楚地看到，SiC和GaN與前兩代半導(dǎo)體材料相比，在功能和特性上都有了很大的提升。

GaN和SiC在材料性能方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此在應(yīng)用領(lǐng)域上各有側(cè)重，又有互補(bǔ)性。例如，GaN的高頻Baliga值明顯高于SiC，因此GaN的優(yōu)點(diǎn)是在高頻、小功率、集中在1000 V以下的領(lǐng)域，如通信基站、毫米波等。SiC的Keye優(yōu)值明顯高于GaN，所以SiC的優(yōu)勢(shì)在1200V以上的高溫大功率領(lǐng)域，包括電力、高鐵、電動(dòng)汽車、工業(yè)電機(jī)等。在中低頻率和中低功率領(lǐng)域，GaN和SiC都可以應(yīng)用，與傳統(tǒng)的硅基器件競(jìng)爭(zhēng)。

第三代半導(dǎo)體---碳化硅(SIC)

SiC從20世紀(jì)70年代開始發(fā)展。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT仍在開發(fā)中。SiC可以大幅度降低功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)損耗，因此具有更好的能量轉(zhuǎn)換效率，更容易實(shí)現(xiàn)模塊的小型化，也更耐高溫。

碳化硅功率器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域：智能電網(wǎng)、交通運(yùn)輸、新能源汽車、光伏、風(fēng)力發(fā)電。新能源汽車是SiC功率器件市場(chǎng)的關(guān)鍵增長(zhǎng)動(dòng)力。目前，SiC器件主要應(yīng)用于新能源汽車的動(dòng)力控制單元(PCU)。最高同時(shí)在線控制單元，逆變器，直流—直流轉(zhuǎn)換器，車載充電器等。

2017年，全球碳化硅電力半導(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)體的總市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16.44億美元。

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料可廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如消費(fèi)電子、照明、新能源汽車、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，具有許多可突破第一、二代半導(dǎo)體材料發(fā)展瓶頸的優(yōu)異性能。因此受到市場(chǎng)的青睞同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展有望完全取代第一代和第二代半導(dǎo)體材料。

新的基礎(chǔ)設(shè)施為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠商提供了巨大的發(fā)展機(jī)遇：我國(guó)在第三半導(dǎo)體材料方面起步比較晚，其技術(shù)水平與國(guó)外相比也比較低。這是一個(gè)彎道超車的機(jī)會(huì)，但還有很多困難和挑戰(zhàn)需要我們?nèi)ッ鎸?duì)。

Keep Tops以GaN 核心射頻半導(dǎo)體支持5G基站和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)。以碳化硅和IGBT為核心的功率半導(dǎo)體，支撐新能源汽車、充電樁、基站/數(shù)據(jù)中心電源、特高壓和軌道交通系統(tǒng)建設(shè)。以人工智能芯片為核心的SOC芯片支持?jǐn)?shù)據(jù)中心和人工智能系統(tǒng)的建設(shè)。

不難看出，領(lǐng)先的氮化鎵和碳化硅第三代半導(dǎo)體是支持“新基礎(chǔ)設(shè)施”的核心材料。Keep Tops在“新基礎(chǔ)設(shè)施”和國(guó)產(chǎn)替代的支持下，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠商將迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。

審核編輯：湯梓紅