迈向全新的产业时代 三问三答第三代半导体材料

张平

你听说过第三代半导体吗？在一般的认知中，第一代半导体是由硅、锗这样的材料构成，第二代半导体包括砷化镓、磷化镓，所谓第三代半导体则是以氮化镓、碳化硅、氧化锌和金刚石为主。那么，第三代半导体相比前两代半导体的优势是什么，又有哪些重要的特性呢？今天本文就带你一起来了解这些内容。

近期，阿里巴巴旗下的达摩院提出了“2021年十大科技趋势”，其中排名第一的是“以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料迎来应用大爆发”。对于这种全新的材料，我们自然有很多疑问。看完本文，大家就能对它们有初步认知了。

问题一：为什么叫“第三

代”半导体材料？

所谓第三代半导体，是指从材料角度而言的发展代次。其中，第一代半导体材料是以硅和锗为代表，第二代半导体材料是砷化镓和磷化铟的应用为主，第三代材料则包括碳化硅、氮化镓、氮化铝等。在很多文章中，第三代半导体中的“第三代”往往成为让人迷惑的地方，尤其是传统概念“一代更比一代强”更加会让人觉得第三代半导体材料相比此前的材料有着全面的优势。但实际情况并非如此，目前对新材料的“第三代”命名有可能是属于市场手段，或者翻译、转译方面的失误。从技术角度或者应用角度来看，目前所谓的“第三代”半导体，更应该被叫做“第三类”半导体材料。

从目前的实际情况来看，锗材料在早期的半导体应用中还比较广泛，不过随着高纯度硅材料的生产和制备越来越成熟和便宜，目前绝大部分集成电路都是基于硅材料来实现相应功能的。因此，所谓的“第一代”半导体材料依旧有着广泛的应用，并且在目力可及的未来，也没有看到它们有衰退或者被替代的迹象。与之类似的是所谓“第二代”半导体材料，主要被用在功率放大器或者LED产品中，相对于硅材料，“第二代”半导体材料开创了自己独特的应用领域，扩大了半导体产品的应用范围。第三代半导体材料也是如此，碳化硅、氮化镓等材料多应用在高电压、大功率、高频率产品方面，也开创了属于自身擅长的应用范围。

当然，除了上述“第N代”半导体材料外，目前也不断有新的半导体材料涌现出来，这些产品的用途非常独特，制造难度也很大，目前还处在进一步研发过程中，因此，很可能未来还有所谓的“第四代”半导体材料出现。

在一些学术会议中，第三代半导体材料的英文翻译是“宽禁带半导体”材料。从材料性质角度来看，“宽禁带”才是真正的第三代半导体的最大特点。那么，什么是宽禁带呢？

问题二：什么是宽禁带？它的独特性质是什么？

要说清楚禁带，首先我们得了解一些基本的晶体结构和量子力学的知识。下面本文尽量以简单和方便理解的描述方法进行解释。根据量子力学最基本的假设，能量在原子、电子这个级别的微观尺度下是不连续的。举例来说，以氢原子为例，氢原子外电子的能级从最低的-13.6E/eV开始，一直到-3.4E/eV、-1.51E/eV、-0.85E/eV，然后到0。可以看到，氢原子外电子的4个能级分布是不连续的。

刚才的能级数据，是指单原子体系中的情况，考察的是一个孤立原子。实际上我们遇到的无论是材料也好，日常生活中的物品也好，不可能只有一个原子，往往是多个原子组成的一个体系。现在假设某个材料几乎由同类型的原子组成，比如高纯度的硅，几乎都是硅原子。那么在这个体系中，对单个原子来说，其外的电子能级也是不连续的、确定的。比如硅原子外的电子拥有a、b、c、d、e等多个能级。当多个原子放在一起的时候，这些原子之间存在相互影响，原子之外的电子能级也会发生微小的移动，但是即使存在这样的移动，位于相近能级的电子的实际数据差值也非常微小。举例来说，硅原子外的a能级是xE/eV，那么和它相似的电子能级数据可能是x+0.01E/eV、x-0.01E/eV，或者x+0.02E/eV、x-0.02E/eV。这样一来，所有处于近似能级的电子的能级数据，就形成了一个能带。

这样一来，我们就得到了能级、能带两个概念。我们还可以用另一个例子来说明能级和能带的关系。比如地铁运行班次为5分钟一班，一个固定的能级可以看成是9：00发车的那班地铁上某个旅客所处的位置。一个能带就是这班地铁列车6节车厢上的所有乘客。对于这6节地铁车厢中的乘客来说，他们的位置是有差别的，有人在车头，有人在车尾，还有在中间的，但是他们总是在同一个列车上，几乎没有可能跑去下一班，也就是9：05开出来的地铁上。那么，9：00和9：05这两列地铁之间的间隔，就叫做禁带。

现在，我们知道了什么是禁带。也就是说，两个能带之间的部分就叫做禁带。在这里，还有两个概念需要解释一下。首先是满带，它是指电子在电子填充能带的时候，往往会从最低的能级向高的能级开始填充，之前的能级没有填满的时候，是不会专门去高能级的。那么，这些被填满的能带，就叫做满带。这也很好理解。比如大家都去地铁站排队，9：00的地鐵出发之前，一定是满满当当塞满了乘客的，如果是诸如北京宋家庄、广州体育西路这种地铁站，可能乘客是被挤上去的而不是自己走上去的。这种乘客全满的地铁，就被看作一个满带。另一个概念是价带，价带是满带中能量最高的一条。举例来说，也就是所有坐满了乘客的地铁中最拥挤的那个，可能马上就有人要被挤晕过去了，这辆车就可以被看作价带。

但是还有一个问题。比如，9：00的地铁装满了，但是9：05的地铁还基本空着。当它们隔得很远的时候，我们说这两个车之间的乘客不可能流动（虽然现实也不可能），那这种情况可以被看作是价带和下一个能带之间是完全阻断了流动的，它们的禁带特别宽，这就是绝缘体，电子不可能在如此宽的禁带之间流动。

但是存在这样一种情况，那就是9：00挤满人的地铁和9：05基本空着的地铁，虽然隔开了，但是中间的间隔很短。结果就有胆大的人说太挤了，我要翻窗出去到下一个车上去，结果还成功了，乘客在9：05的地铁中自由选座，这个时候9：05的车就被称作导带，这种情况就是半导体的基本结构。对半导体来说，禁带宽度不大，在有条件的情况下，价带的电子能够跃迁到下一个能带上，并可以在新的能带上自由的流动，新的能带就被称为导带。

对于导体来说，这个情况就更有趣了。它的禁带几乎不存在，价带和导带是重合的。比如9：00的地铁挤满人开出去后，发现9：05的地铁直接挂在后面还打开了车门，这样大家都跑到后一个空车上去坐了。电子自由流动，这就是导体。在解释清楚能级、能带、禁带、价带、导带等概念后。我们再进一步来看有关宽禁带半导体材料的概念。根据刚才的解释，半导体材料的禁带比导体宽，但是又和绝缘体那种彻底断绝的情况完全不同，它可以在有条件的情况下变成导体。一般来说，半导体中禁带相对较窄的，就是诸如砷化镓、硅、锗这种材料。比如硅材料的禁带宽度为1.12eV、锗更窄一些，只有0.67eV，砷化镓也只有1.43eV。半导体材料中禁带相对较宽的，就是所谓的“第三代”半导体材料了。比如氮化镓的禁带宽度为3.37eV、4H-SiC是3.26eV、6H-SiC是3eV、3C-SiC则是2.2eV，氮化铝更高一些，高达6.2eV。

禁带宽度更高，又有什么独特的优势呢？从上文的解释来看，禁带宽度高，意味着激发难度要高一些，但是同时也意味着从不导通到导通的激发所需要的能量更大，因此能够在更高的电压下工作，同时也能够耐受更高的温度。不仅如此，相对于同样功能的硅材料，新的宽禁带半导体材料在同样的电流和电压下尺寸更小，体积更小、各类参数包括寄生电容都更小，因此充电速度、导通速度都更快，反向恢复电流也会更小一些，总的来看整体开关损耗也会变小，工作频率也会更高。一般来说，宽禁带材料工作温度往往可以达到200°C以上，可以在部分条件下工作在最高600°C的环境中，相比硅材料在100°C左右就会失去效用来看，新的宽禁带材料能够在高频率、高电压和高温度的环境下正常工作，且能达到更高的效率。

具体来说，比如碳化硅，在高功率的领域优势明显。和传统硅材料相比，碳化硅的有10倍以上的临界电场击穿强度，3倍左右的禁带宽度，因此耐压能力是同等硅器件的10倍以上，其消极特耐压管甚至可以耐受2400V的高压，场效应管甚至可以耐受上万伏特的高压，很适合在高压场合使用，替代传统材料，降低成本、缩小体积且提高效率。另外，氮化硅也是目前研发的重点材料，主要用于射频、功率和光电子。相比传统材料，氮化硅可以在更高的频率、功率和温度下稳定工作，氮化硅射频放大器兼具硅材料产品的大功率和砷化镓材料高频率的特点，可以说是集各种优势于一身。

问题三：第三代半导体的用途是什么？

在前面的2个问题中，我们了解到了什么是第三代半导体，什么是宽禁带以及宽禁带半导体材料的一些基本性质。那么问题也就来了，第三代半导体或者说宽禁带半导体材料究竟能够应用在哪些领域，并获得什么优势呢？

需要先说明的是，由于材料性质、功能和应用场景的差异，目前的宽禁带半导体材料不太可能和现有的硅材料相互替换，它只能是开创一个全新的应用领域，或者带来相对之前部分材料更好的使用效果。一些研究显示，宽禁带半导体材料能够应用的范围包括军工、新能源汽车、消费电子、家用电器、照明、智能电网等，非常宽泛。着眼于现在的话，目前包括半导体照明、激光器、电力电子器件、太阳能电池等产业上，宽禁带半导体材料有显著优势，下面我们简单介绍一些。

在激光器的制造和研发中如何实现大功率、低成本和短波长一直是比较困难的。但是氮化物半导体激光器的出现，可能在很大程度上解决这个难题。比如绿光激光由于在水中衰减小，因此可用于深海光无线通信，保密性好且抗干扰，目前绿光激光器的突破点在于使用氮化镓衬底的高铟组分同质外延和二次外延技术，达到铟含量35%以上，能够激发波长达到510～530nm的绿光激光。在用于光盘刻录和数据存储的蓝光和紫外光方面，采用高质量、高铝组分的铝氮化镓外延制备技术能够实现激发波长280nm～300nm的紫外激光。这些新材料和新技术的应用在之前都是非常困难的，宽禁带半导体材料的到来很大程度上解决了这个问题。在半导体照明方面，目前虽然氮化镓类型的LED和相关产品的发展已经非常成熟，但是进一步研究发现继续引入新的材料和工艺，还能够带来更高的光效、更低的成本和更可靠、更多元化应用前景。比如碳化硅也可以结合氮化镓外延衬底使用带来更出色的效能。

在5G方面，由于数据流量大增、带宽大增，因此对射频元器件的要求非常高，比如在更高的频率下长期稳定工作，工作环境温度更为严苛等。传统的LDMOS不适用于高频段，砷化镓不适合在高功率下运行，在这种情况下，只有氮化镓为主的宽禁带半导体材料才能满足未来5G时代通信发展的需求。因此一些行业资料显示，从2017年到2023年，宽禁带半导体材料将以每年接近23%的速度成长，市场前景极为广阔。在汽车电子方面，宽禁带半导体材料也大有可为。由于新材料耐高压、耐高温以及高频率的特性，可以使得芯片面积大幅度减少、简化汽车电子相关电路设计并最终起到减少模组以及减少周边辅助零配件的作用。此外，全新的材料还带来了更高的能源转换效率，使得纯电汽车能够运行更长的里程。目前汽车电子方面最热门的材料还是氮化镓和碳化硅，其中后者现阶段主要用于赛车，还在进一步降低成本和研发导入。前者氮化镓主要可以用于汽车的电源管理芯片、充电管理芯片等，能够带来极为优秀的实际体验。

在光伏电池方面，宽禁带半导体材料也有独特的作用。由于铟、镓、氮的使用，使得太阳能电池的光学带隙可连续调节，特别适合制作多结层叠太阳能光伏电池，实现全太阳可见光谱的能量吸收和利用，提高电池转换效率，其理论转换高达70%，远超现在硅基材料，并且还拥有独特的抗辐射特性，更适合用

在外太空的卫星、空间站等场合。其他诸如白电、军事工业、智能家居、高铁等方面，宽禁带半导体材料也能发挥作用。无论是开拓新的应用领域还是替代传统的产品，新材料总能带来惊喜。不过，虽然宽禁带半导体材料拥有诸多优势，但是其在生产、制造和应用上还存在很多难题，比如碳化硅的制造、氮化镓的制造等，都远比传统硅基半导体材料更困难、速度更慢且产量更低。在应用方面，新的材料制成的零配件如何与之前的产品结合，也需要进一步的研究才能更好地适应应用场景的变化。

总的来说，第三代半导体材料的出现，是在第一代、第二代半导体材料的基础上，拓展而出的、拥有更獨特优势和更高性能的产品。它们的应用有望将相关产品引入全新的领域，并且在性能、工作环境和寿命方面实现全新的突破。2021年乃至未来的数年，第三代半导体材料也就是宽禁带半导体材料有望大爆发，我们也会持续关注。