簡述第三代半導體材料的發(fā)展概要
一、什么是第三代半導體
所謂第三代半導體材料是以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)為代表(還包括ZnO氧化鋅、GaO氧化鎵、金剛石等)的化合物半導體。與第一代和第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
二、不同半導體材料的發(fā)展歷程
第一代半導體材料發(fā)明并使用于20世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是硅，構成了一切邏輯器件的基礎，目前全球95%以上的半導體芯片和器件是用硅作為基礎材料生產的，硅基器件很好的解決了電能的轉換和控制。主要應用于制作集成電路的晶圓片和功率器件，如電腦的CPU、GPU、內存、手機的SoC等，主要用來解決數據運算和存儲等問題；
第二代半導體材料發(fā)明并使用于20世紀80年代，主要是指化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主要代表。4G時代大部分通信設備都是砷化鎵的應用領域。不過由于資源稀缺、大尺寸制備困難、價格貴等原因，尤其是砷有毒性、污染環(huán)境，第二代半導體材料應用受到很大局限。主要應用于微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光器和衛(wèi)星導航等行業(yè)，主要解決數據傳輸的問題；
第三代半導體是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（禁帶寬度Eg>2.3eV）的半導體材料。其中又以SiC和GaN為最核心的材料。SiC擁有更高的熱導率和更成熟的技術，而GaN具有直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點則使其擁有更快的研發(fā)進度。兩者的不同優(yōu)勢決定了應用范圍上的差異，在光電領域，GaN占絕對的主導地位，而在其他功率器件領域SiC則更有優(yōu)勢。SiC材料適合制造高溫、高壓、大功率器件，而GaN材料則更適用于制造高頻、中小功率器件。
三、不同半導體材料之間的主要區(qū)別
不同半導體材料之間的主要區(qū)別就在于禁帶寬度。所謂的禁帶寬度(Band gap)是指一個帶隙寬度(單位是電子伏特(ev))。固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱為導帶(能導電)，自由空穴存在的能帶稱為價帶(也能導電)。被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。
現代物理學描述材料導電特性的主流理論是能帶理論。能帶理論認為晶體中電子的能級可劃分為導帶和價帶，價帶被電子填滿且導帶上無電子時，晶體不導電。當晶體受到外界能量激發(fā)(如高壓)，電子被激發(fā)到導帶，晶體導電，此時晶體被擊穿，器件失效，禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力。第三代半導體的禁帶寬度是第一代和第二代半導體禁帶寬度的近3倍，具有更強的耐高壓、高功率能力。
第三代半導體材料制造的器件能量密度更高。以氮化鎵為例，其形成的HEMT器件結構中，其能量密度約為5-8W/mm，遠高于硅基MOS器件和砷化鎵射頻器件的0.5-1W/mm的能量密度，器件可承受更高的功率和電壓，在承受相同的功率和電壓時，器件體積可變得更小。
硅基因為結構簡單，自然界儲備量大，制備相對容易，技術比較成熟，被廣泛應用于半導體的各個領域。但在高耐壓、高功率、高頻率的分立器件領域，硅基器件因其帶隙窄，較低的熱導率和較低的擊穿電壓限制了其在該領域的應用，因而發(fā)展出寬禁帶、耐高壓、高熱導率、高頻率的第三代半導體材料的器件。
第三代半導體材料主要有三個優(yōu)勢：
一是速度更快，有助于提高芯片性能。
第三代半導體采用寬禁帶材料，關斷時候的漏電電流更小，導通時候的導通阻抗更小，且寄生電容遠遠小于硅工藝材料，所以芯片運行速度更快，功耗消耗更低，待機時間更長。第三代半導體可以用較大的工藝節(jié)點達到硅材料先進節(jié)點的部分性能。
二是能量轉換效率高，功率損耗小。
以新能源汽車為例，相比用傳統硅芯片（如IGBT）驅動的電動汽車，用第三代半導體材料芯片驅動的新能源汽車的能量耗損低5倍左右，由此大幅增加續(xù)航里程。從節(jié)能的角度考慮，一個大型數據中心機房一年的耗電相當于一個中等城市的用電量，如果采用第三代半導體芯片來控制電源，相比傳統的硅芯片，將能省下大量電力。
三是可以承受更大的功率和更高的電壓。
第三代半導體可大幅提高產品的功率密度，適應更高功率、更高電壓、更大電流的未來電動車的需要?；谏鲜鰞?yōu)點，新能源汽車、5G、人工智能及超大數據中心等新應用場景的打開，將給第三代半導體帶來巨大的發(fā)展空間，催生上萬億元的潛在市場。更為重要的是，第三代半導體未來將在幫助人類普及新興能源、發(fā)展清潔能源、實現碳中和這一目標中發(fā)揮重大作用。
由于氮化鎵（GaN）是一種禁帶寬度大（Eg值為3.4eV）、飽和擊穿電場高、載流子遷移率高、且質地堅硬高熔點（熔點為1700℃）的化合物材料，從而使得氮化鎵基器件具有開關速率高、電阻低、抗擊穿能力強和耐高溫等優(yōu)勢，這些特性使得氮化鎵器件在電力電子領域特別是PD充電器行業(yè)大放異彩。使用GaN器件的充電器與傳統的使用硅基器件的充電器比較，具有更小的體積，更快的運行速度，更高的效率以及更低的損耗，使其擁有更大的市場競爭力。
氮化鎵的應用：
氮化鎵通常用于微波射頻、電力電子和光電子三大領域。具體而言，微波射頻方向包含了5G通信、雷達預警、衛(wèi)星通訊等應用；電力電子方向包括了智能電網、軌道交通、新能源汽車、PD快充、消費電子等應用；光電子方向包括了 LED、激光器、光電探測器等應用。
碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻率、抗輻射等優(yōu)良電氣特性，突破了硅基半導體材料的物理極限，是第三代半導體的核心材料之一。碳化硅材料的禁帶寬度大約是硅材料的三倍，而且碳化硅器件的極限工作溫度是硅基器件的二倍以上。這些物理特性使得碳化硅材料更好的應用于高壓、高溫環(huán)境，此外相對于硅基器件，碳化硅器件尺寸更小、重量更輕、能量損耗更少。
碳化硅產業(yè)鏈可分為三個環(huán)節(jié)：
碳化硅產業(yè)鏈可分為襯底材料的制備、外延層的生長和器件制造等三個環(huán)節(jié)。目前，碳化硅單晶襯底材料的制備通常采用物理氣相傳輸法（PVT法），襯底上外延的生成使用化學氣相沉積法（CVD法），然后再在外延上進行器件制造。
碳化硅襯底的劃分：
半絕緣型碳化硅襯底：指電阻率高于105Ω.cm的碳化硅襯底，其主要用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領域的基礎性零部件，我國大力發(fā)展的5G通訊技術推動了碳化硅襯底需求的進一步釋放。
導電型碳化硅襯底：指電阻率在15~30mΩ.cm的碳化硅襯底。由導電型碳
化硅襯底生長出的碳化硅外延片可進一步制成功率器件，功率器件是電力電子變換裝置的核心器件，廣泛應用于新能源汽車、光伏、智能電網、軌道交通等領域。
1、射頻器件：射頻器件是在無線通信領域負責信號轉換的部件，如功率放大器、射頻開關、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術路線。
2、新能源汽車：電動汽車系統涉及功率半導體應用的組件有電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、車載DC/DC及非車載充電樁。其中電動車逆變器市場碳化硅功率器件應用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、充電更快、續(xù)航里程更長。
3、光伏發(fā)電：目前，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。可進一步提高轉換效率、明顯降低能量損耗、大幅提升設備循環(huán)壽命，具備成本低、高效能的優(yōu)勢。
4、智能電網：國家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對碳化硅功率器件具有重大需求。它在智能電網中的主要應用場景包括：高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。碳化硅器件突破了硅基功率半導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導致的系統局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等特有優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔***流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動智能電網的變革和發(fā)展。
5、軌道交通：軌道交通對其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機等裝置的性能提出更好的要求,采用碳化硅功率器件可幫其實現提升。碳化硅功率器件可大幅提高這些電力電子裝置的功率密度和工作效率,有利于減輕軌道交通的載重系統。
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