寬禁帶半導體為何能成為第三代半導體

作者| 薛定諤的咸魚

2020年9月27日，近期，第三代半導體產(chǎn)業(yè)將寫入“十四五”規(guī)劃的消息在網(wǎng)絡上傳播。第三代半導體主要是指氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等寬禁帶半導體，它們通常都具有高擊穿電場、高熱導率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度、可承受大功率等特點。

但是，很多人容易被“第三代”半導體這個名字誤導。

賽道不同

第一代、第二代、第三代半導體之間應用場景是有差異的。以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導體應用場景十分廣泛，從尖端的CPU、GPU、存儲芯片，再到各種充電器中的功率器件都可以做。雖然在某些領域的性能方面表現(xiàn)不佳，但還有性價比助其占據(jù)市場。第二代半導體以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP）為代表，主要應用領域為光電子、微電子、微波功率器件等。第三代半導體以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表，主要應用領域為功率器件、光電子、射頻。

第三代半導體和第二代、第一代之間不是迭代關系，它們的應用場景有交叉，但不完全重合。

舉個例子來說，硅這類第一代半導體就像一個高年級學生，氮化鎵這類第三代半導體就像一個新生。高年級學生主要是練田徑運動的，而新生則是練游泳的。

每年學校都會舉辦運動會，在新生來之前，運動會所有項目（包括游泳）都是由高年級學生參加，雖然高年級學生是練田徑的，但是因為身體素質(zhì)較好也可以參加其它類型的比賽。

現(xiàn)在專業(yè)練游泳的新生來了，新生的游泳速度比高年級學生快了不少，但新生田徑項目表現(xiàn)很糟糕。所以之后的部分游泳比賽就逐漸的交給新生參加了，而高年級學生也更專注田徑比賽。

漸漸地，新生在游泳領域獲得了很多獎項，高年級學生如此評價： “好，很有精神！”即使所有游泳比賽都交給新生參加，學校運動會中大多數(shù)比賽項目還是田徑比賽，游泳比賽只占一小部分。所以在這種情況下高年級學生依舊是你們的老大哥。

第三代半導體有其擅長的領域，在自己的應用領域內(nèi)性能是可以超過硅、鍺等傳統(tǒng)半導體材料，但在領域外，還是硅的天下。

什么是半導體?

有些人看到這個問題可能會覺得答案很簡單。半導體嘛，就是電阻率介于導體和絕緣體之間的材料。電阻率高的幾乎不導電的就是絕緣體，電阻率低的很容易導電的就是導體。

以上理解并不能算錯，但如果想研究半導體材料，以上理解是完全不夠的。比如如何看待電阻率很高的金剛石被列為第三代“半導體”材料，以及如何看待“超導金剛石”的相關研究？顯然要理解這些問題需要更深層的理論。

能帶理論就能很好的解決這些問題。

眾所周知，電子是圍繞原子核旋轉的，如上圖所示。其中2p、3s之類的就是電子的軌道。電子在不同軌道上具有不同的能量，這些能量值就是能級了。

在現(xiàn)實中基本不會有一個原子單獨存在的情況，大多都是一堆原子聚集在一起。

如果多個原子排在一起的話，那么一個電子就會受到其它原子的影響，這些原子的電子軌道（量子態(tài)）就會發(fā)生交疊，在這種交疊的情況下電子就可以從一個原子轉移到另一個原子上。既然電子可以從一個原子轉移到另一個原子上，那么它也可以繼續(xù)轉移到下一個原子上，所以說電子可以通過這種方式在整個晶體中運動，這種運動稱為共有化運動。

截取自北京地鐵官方網(wǎng)站

舉個通俗的例子，我們每個人就像電子，而這些軌道就像地鐵的線路一樣。這些地鐵線路是有交疊的地方，有些交疊的地方被設置為換乘車站，可以從一條線路換成另一條線路。因為換乘線路的存在，我們可以通過換乘的方式到達地鐵線路中的任意一個站點。電子的共有化運動也是類似這樣。

正因為在其它原子的影響下，能級分裂成了能帶。當原子周期性排列形成晶體互相靠近時，每一個能級都分裂為很多彼此相距很近的能級，形成能帶。

其中內(nèi)層電子共有化運動弱，能級分裂小，能帶窄；外殼層電子共有化運動顯著，能帶寬。

在具備能帶知識的基礎上我們來看這張圖，圖中：

價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶

導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶

禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶

帶隙（禁帶寬度）：導帶底與價帶頂之間的能量差

從圖中我們不難發(fā)現(xiàn)半導體和絕緣體之間差異最大的地方在于禁帶寬度，而在第三代半導體概念中的寬禁帶半導體，其中“寬禁帶”指的就是禁帶寬度比較寬。

舉個例子，比如在跨欄運動中欄架高度大約1米，厚度也很小。所以運動員可以輕松的跨過去。但是如果把欄架換成3米高的磚墻，厚度也增加很多，這樣運動員就不太容易跨過去了。

半導體和絕緣體也是這樣，半導體的禁帶像標準的欄架，電子比較容易跨過，而絕緣體的禁帶則是高墻，電子幾乎不能跨過。而這里欄架和墻的厚度和高度就相當于禁帶寬度。

值得說明的一點是，禁帶寬度不是永恒不變的。比如同一種材料在不同溫度下的禁帶寬度是不一樣的。而且可以通過摻雜等方式改變禁帶寬度。

前文簡單介紹了什么是半導體，那么現(xiàn)在來說什么是半導體的職責。

引用莎士比亞的話來說就是：To be or not to be,that's a question.翻譯成北京話就是：這么著兒，還是那么著兒。具體來說就是一個好的半導體一定要是一個可以選擇的狀態(tài)，比如我給它加電壓，它就導通（這么著兒），我不給它加電壓，它就應該關閉（那么著兒）。同理如果我給它加電壓它導通（這么著兒），我不給它加電壓它還這么著兒（導通），那這就是個導體。如果我不給它加電壓它關閉，當我給它加電壓它還這么著兒（關閉），那它就是個絕緣體。

寬禁帶的優(yōu)勢

第三代半導體主要是指寬禁帶半導體，那么這個“寬禁帶”到底怎樣帶來性能優(yōu)勢呢？

大家都知道電子的定向移動形成電流，繼續(xù)之前的舉例，電子這位“運動員”只需要跨過欄架或者高墻就完成工作了。但是電子跨過護欄和高墻都需要一些力氣，這種時候如果有人能扶他一下就會很省力了。這些幫助者可以是光照或者外加電壓，為其提供能量。

前文已經(jīng)介紹了半導體的職責，那么現(xiàn)在就是如果選擇“To be or not to be”的交界線了，在例子中這個交界線就是障礙物的高度和厚度，也就是實際中的禁帶寬度。所以針對應用選擇一個合適的“禁帶寬度”材料就很重要了。

以金剛石為例，金剛石的禁帶寬度達5.5eV，遠大于Ge（0.67eV）、Si（1.12eV）和GaAs（1.43ev）等常規(guī)材料，這不僅保證了金剛石器件能在700-1000度下安全工作，有良好的抗輻射加固能力，而且大大提高了器件的雪崩擊穿電壓壓。

另外禁帶寬度也與場效應管的溝道導通電阻有關，禁帶寬度越大，相應器件就會具有較低的導通電阻。

金剛石熱導率很大，因此用金剛石制作的器件散熱性能良好。金剛石的介質(zhì)擊穿場強也很高，大致為V/cm，所以能提高器件的最高工作溫度和功率。

同時金剛石的介電常數(shù)較低，這可以影響到器件的阻抗，并且有利于提高器件的工作頻率。

第三代半導體的應用

LED：

第三代半導體以氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這些三族氮化物為例，這些氮化物半導體可以制作藍光LED、綠光LED，最終可以通過組合的方式實現(xiàn)白光LED?，F(xiàn)在不少手機屏幕，顯示器的背部光源用的就是LED。

人類用氮化物制造LED的歷史其實有很長時間了，中村修二于1993年在日本日亞化學工業(yè)株式會社就職期間，基于GaN開發(fā)了高亮度藍色LED。中村修二于2014年與赤崎勇，天野浩因發(fā)明“高效藍色發(fā)光二極管”而獲得諾貝爾物理學獎。

出自《我國半導體市場:繼續(xù)直線上升——我國超高亮度及白光LED產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展》

此文章發(fā)表于2005年，在那時國外很多公司已經(jīng)將氮化物用于制作LED，并且實現(xiàn)了商業(yè)化。

紫外探測：

紫外探測是第三代半導體的重要應用之一。

比如在高壓電線桿上有時候會出現(xiàn)放電的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為“電暈”。高電壓設備電暈放電會產(chǎn)生紫外線，我們只需要檢測這些紫外線就能更好的監(jiān)測電網(wǎng)設備的運行。同理也可以監(jiān)測高鐵等其它設備上的電暈情況。

再比如紫外探測可以檢測導彈的尾焰、森林防火、船只導航等用途。

高功率器件：

用第三代半導體制作的高功率器件具有體積更小、效率更高、性能更強等特點。

比如各大廠商推出的GaN手機充電器。特別是手機開啟快充時代后，手機充電器的功率越來越大，如果繼續(xù)用傳統(tǒng)材料制作手機充電器，那么體積就會太大進而不方便攜帶。而用GaN制作的手機充電器體積就能縮小很多。同理也可以用GaN制作筆記本電腦的電源適配器。

除了手機以外，其它更大的設備也可以使用類似的技術。比如新能源汽車的充電樁。對于電動汽車來說提高充電效率每年就可以省下不少的電力資源。同理也可以用于制作汽車上使用的IGBT。

用第三代半導體制作的器件可以在瞬間輸出巨大的能量，因此它也可以被用于制作航空母艦上的電磁彈射器，或者是艦船上的電磁炮。

射頻與微波：

在這方面，大家比較熟知的應該就是5G了。使用第三代半導體材料可以建造更加節(jié)能且性能更強的5G基站，而且也可以用于制作5G射頻芯片。

在軍用方面，第三代半導體可以用于制作包括相控陣雷達在內(nèi)的各種軍用雷達。在AUSA2016上,雷聲公司展示了第一臺全尺寸的“愛國者”下一代雷達的原型機。這種新型雷達采用了AESA體制和氮化鎵(GaN)材料制成的芯片。“愛國者”防空系統(tǒng)原有的雷達是無源相控陣體制的AN/MPQ-53/65,其使用的是砷化鎵(GaAs)材料制成的芯片。

硅還是老大哥

在前文中提到過第三代半導體和第一代、第二代半導體因為應用場景方面的問題，并不屬于同一賽道。

那么現(xiàn)在半導體市場上主流業(yè)務是什么呢？是集成電路。而恰巧，在當前技術條件下第三代半導體不適合用于制作數(shù)字邏輯電路。第三代半導體的主戰(zhàn)場更多的會集中在分立器件上。

根據(jù)相關新聞報道，2018年全球半導體市場規(guī)模達到4779.4億美元，而且每年還在快速增長中。根據(jù)國外研究機構數(shù)據(jù)顯示，到了2025年第三代半導體市場的規(guī)模將達到434億美元。

但從我國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來說，發(fā)展第三代半導體總算暫時不用被先進光刻機卡脖子了。

意法半導體(ST)新材料和電源方案事業(yè)部的創(chuàng)新和關鍵項目戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Filippo Di Giovanni預測：“隨著GaN技術向更小的工藝節(jié)點演進，在達到0.15μm柵長時，GaN將挑戰(zhàn)GaAs器件在便攜式無線應用中的主導地位。”

我國先進的光刻機可能在短期內(nèi)無法突破，在如果只是光刻0.15μm（150nm）的光刻機還是沒有問題的。

對于高頻小信號器件來說，它們需要低噪聲系數(shù)。因此目前在某些情況下GaAs仍具優(yōu)勢。當然現(xiàn)在也有一些類似“數(shù)字預失真技術”可以幫助GaN器件在高頻場景下達到更好的性能。所以從長期來看，GaN取代部分GaAs的市場地位是大趨勢。

對于硅材料來說，其實業(yè)界很早就發(fā)現(xiàn)了這種材料的不足。比如漏電和散熱問題，以及未來可能會觸及硅的物理極限。但是整條產(chǎn)業(yè)鏈上并沒有多少人愿意做出改變，他們更偏向于使用新技術繼續(xù)給硅“續(xù)命”。

舉個例子來說就是，一件破衣服，大家都不太舍得直接換新的，然后就是“新三年，舊三年，縫縫補補又三年。”而且經(jīng)過這些年的修補，裁縫的手藝越來越好了，暫時還是能繼續(xù)修下去。

關于硅的“接班人”現(xiàn)在還尚不確定，比如“二維超導材料”亦或是“拓撲絕緣體”都有可能接班。不過相關材料大規(guī)模商業(yè)也是很多年之后的事了。

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