新材料江湖博弈之局，第三代半導(dǎo)體材料大勢所趨

繼第一代元素半導(dǎo)體材料(si)和第二代化合物半導(dǎo)體材料后，第三代禁帶寬度半導(dǎo)體材料(SiC、GaN、C-BN、ZnSe等)已經(jīng)在獲得了眾多半導(dǎo)體廠商的認可。

第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強的等優(yōu)點。其中，發(fā)光效率高、頻率高等特點，在一些藍、綠、紫光的發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等方面有著廣泛的應(yīng)用，且在躍遷時放出光子的能量高，因此會有較高的光發(fā)射效率，光子發(fā)射的頻率也較高。第三代半導(dǎo)體材料目前最熱門的是SiC和GaN。

首先來說說SiC

早在1893年諾貝爾獎獲得者法國化學(xué)家亨利莫桑(Henri Moissan)在非洲發(fā)現(xiàn)了晶瑩剔透的碳化硅(SiC)單晶碎片。由于SiC是硬度僅次于金剛石的超硬材料，SiC單晶和多晶材料作為磨料和刀具材料廣泛應(yīng)用于機械加工行業(yè)。作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用，相對于Si，SiC具有10倍的電場強度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和遷移速度。

從80年代開始以美國CREE公司為代表的國際企業(yè)就開始專注于半導(dǎo)體應(yīng)用的SiC材料商用化的開發(fā)。2000年起英飛凌首先開發(fā)出600V SiC肖特基二極管(SBD)與其COOLMOS配套使用與通訊電源的PFC應(yīng)用拉開了SiC電力電子器件市場化的幕布。隨后CREE，ST，羅姆等企業(yè)也紛紛推出了SBD的全系列產(chǎn)品。

目前，4H-SiC特別適用于微電子領(lǐng)域，用于制備高頻、高溫、大功率器件;6H-SiC特別適用于光電子領(lǐng)域，實現(xiàn)全彩顯示。隨著SiC生產(chǎn)成本的降低，SiC半導(dǎo)體正逐步取代Si，為Si遇到的瓶頸所擔(dān)憂的日子也將結(jié)束。

再談?wù)凣aN的發(fā)展

由于CREE在電力電子用碳化硅材料和器件的壟斷地位迫使很多功率企業(yè)采取GaN技術(shù)路線作為下一代功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向。為了降低成本，基本上采用Si襯底上生長GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工藝制備器件。近年來GaN的單晶基體材料也有了突破進展，已經(jīng)能夠生長出2英寸外延。

目前，GaN在大部分高功率應(yīng)用中站穩(wěn)了腳跟，并且還抓住了基站、移動基礎(chǔ)設(shè)施的部分市場。值得一提的是，隨著5G的技術(shù)火熱，GaN也受到了極大的關(guān)注。2016年，支持GaN材料的廠商有EPC、GaN系統(tǒng)、英飛凌、松下和Transphorm、德州儀器、恩智浦、Dialog、安森美等半導(dǎo)體大佬。

SiC和GaN電力電子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的優(yōu)點和不成熟處，因此在應(yīng)用方面有區(qū)別 。一般的業(yè)界共識是：SiC適合高于1200V的高電壓大功率應(yīng)用;GaN器件更適合于40-1200V的高頻應(yīng)用。在600V和1200V器件應(yīng)用領(lǐng)域，SiC和GaN形成競爭。

最后

硅作為半導(dǎo)體的主要材料在摩爾定律的規(guī)律下已經(jīng)走過了50多年，尋找新的半導(dǎo)體材料替代硅已經(jīng)成了近些年半導(dǎo)體發(fā)展的方向之一。

在整個功率器件的發(fā)展過程中，第一個可控硅在1970年問世。隨著時間和技術(shù)的推移，功率密度要求逐漸提升，后面經(jīng)歷了晶體管向MOSFET的演變，到上世紀90年代末出現(xiàn)了IGBT。半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步，不僅提高了產(chǎn)品性能，同時通過縮小芯片面積降低了成本。然而到2000年的時候業(yè)界就提出硅基產(chǎn)品已經(jīng)快達到物理極限，進一步提高產(chǎn)品性能，工藝的復(fù)雜性帶來的成本升高不能抵扣芯片面積的縮小，從而芯片成本提高。

未來如何突破Si材料的極限?目前來說，以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料是大勢所趨。