第三代寬禁帶半導體材料碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)
發(fā)布時間：
2019-02-23
來源：
在半導體行業(yè)的發(fā)展進程中，人們通常把Si和Ge元素半導體稱為第一代電子材料，把GaAs、InP、InAs等化合物半導體稱為第二代半導體材料，而把Ⅲ族氮化物（主要包括GaN、相關(guān)化合物InN、AIN及其合金）、SiC、InSe、金剛石等寬帶隙的化合物半導體稱為第三代半導體材料。
圖1：半導體
半導體是一種介于導體與絕緣體之間的材料，我們生活的方方面面都離不開半導體技術(shù)，電器、燈光、手機、電腦、電子設(shè)備等都需要半導體材料制造，第三代半導體材料發(fā)展較好的為碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN），其中碳化硅的發(fā)展更早一些。
碳化硅晶體結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)多型的特點，其基本結(jié)構(gòu)是Si-C四面體結(jié)構(gòu)。它是由四個Si原子形成的四面體包圍一個碳原子組成，按相同的方式一個Si原子也被四個碳原子的四面體包圍，屬于密堆積結(jié)構(gòu)。
氮化鎵是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導體，該化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中。
我們來看看氮化鎵與碳化硅兩者間的關(guān)鍵特性有什么區(qū)別。
碳化硅與氮化鎵的關(guān)鍵特性對比：
從上表可見，GaN提供高電子遷移率，具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度。
雖然氮化鎵部分性能更好，但發(fā)展尚有解決難題
氮化鎵(GaN)半導體材料及器件的發(fā)展迅速，目前已經(jīng)成為寬禁帶半導體材料中耀眼的新星，但是氮化鎵材料的發(fā)展尚有解決難題：一是如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的GaN籽晶，因為直接采用氨熱方法培育一個兩英寸的籽晶需要幾年時間；二是氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成。
相較下，碳化硅在當前寬禁帶半導體材料中發(fā)展更為成熟，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應用產(chǎn)業(yè)鏈。在第三代半導體材料中，二者均有著非常廣闊的應用前景。
第三代寬禁帶半導體的應用領(lǐng)域
第三代寬禁帶半導體可應用在半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領(lǐng)域（見下圖3），每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發(fā)階段。
圖2：第三代寬禁帶半導體材料應用領(lǐng)域
第三代半導體的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，美國、日本、歐洲在第三代半導體技術(shù)上擁有絕對的話語權(quán)。相比美、日，我國在第三代半導體材料上的起步較晚，水平較低。隨著國家對第三代半導體材料的重視，近年來，我國半導體材料市場發(fā)展迅速，其中以碳化硅與氮化鎵為主的材料備受關(guān)注。2016年，我國啟動了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性先進電子材料”重點專項的組織實施工作，第三代半導體材料與半導體照明作為重點專項中最重要的研究領(lǐng)域，得到了國家層面的重點支持。
第三代半導體技術(shù)逐步提升，市場逐漸開啟，政策全面加速，資本積極進入，企業(yè)加快布局，第三代半導體產(chǎn)業(yè)在中國迎來發(fā)展“元年”。
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