第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)
發(fā)布時(shí)間：
2019-02-23
來(lái)源：
在半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，人們通常把Si和Ge元素半導(dǎo)體稱為第一代電子材料，把GaAs、InP、InAs等化合物半導(dǎo)體稱為第二代半導(dǎo)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(dǎo)體稱為第三代半導(dǎo)體材料。
圖1：半導(dǎo)體
半導(dǎo)體是一種介于導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)，電器、燈光、手機(jī)、電腦、電子設(shè)備等都需要半導(dǎo)體材料制造，第三代半導(dǎo)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(diǎn)，其基本結(jié)構(gòu)是Si-C四面體結(jié)構(gòu)。它是由四個(gè)Si原子形成的四面體包圍一個(gè)碳原子組成，按相同的方式一個(gè)Si原子也被四個(gè)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(dǎo)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(lái)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(duì)比：
從上表可見(jiàn)，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(dǎo)體材料及器件的發(fā)展迅速，目前已經(jīng)成為寬禁帶半導(dǎo)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?yàn)橹苯硬捎冒睙岱椒ㄅ嘤粋€(gè)兩英寸的籽晶需要幾年時(shí)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(dāng)前寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。在第三代半導(dǎo)體材料中，二者均有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
第三代寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域
第三代寬禁帶半導(dǎo)體可應(yīng)用在半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域（見(jiàn)下圖3），每個(gè)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(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
圖2：第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域
第三代半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，美國(guó)、日本、歐洲在第三代半導(dǎo)體技術(shù)上擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。相比美、日，我國(guó)在第三代半導(dǎo)體材料上的起步較晚，水平較低。隨著國(guó)家對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的重視，近年來(lái)，我國(guó)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)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(guó)啟動(dòng)了“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)的組織實(shí)施工作，第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明作為重點(diǎn)專項(xiàng)中最重要的研究領(lǐng)域，得到了國(guó)家層面的重點(diǎn)支持。
第三代半導(dǎo)體技術(shù)逐步提升，市場(chǎng)逐漸開啟，政策全面加速，資本積極進(jìn)入，企業(yè)加快布局，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在中國(guó)迎來(lái)發(fā)展“元年”。
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