第三代半导体将迎大爆发？

 

禁带宽度，是用来区分不同代际半导体的关键参数。

 

作为第三代半导体，氮化镓和碳化硅的禁带宽度分别为3.39电子伏特和3.26电子伏特，较高的禁带宽度非常适合高压器件应用。氮化镓电子饱和速度高，是硅的2.5倍，是砷化镓的2倍，非常适合做微波器件，比如手机内的射频前端放大器、5G基站以及微波雷达。微波雷达并不限于应用在航天航空和国防领域，将来在新能源汽车自动驾驶里也有应用潜力，可利用它精确感知障碍物，指导自动驾驶数据及时调整。

 

此外，氮化镓还可用做功率开关器件，开关速度越快，电源转换系统就可以做得更小，功耗也能降低。手机充电器里就有功率开关器件，可以把220伏的交流电转化为5伏直流电，然后给手机充电。“现在受到欢迎的小型快速充电器，就用了氮化镓功率开关器件，未来还有望用于无线充电器。”

 

不过，氮化镓也有局限，需要在蓝宝石、硅、碳化硅等衬底上异质外延生长。由于材料不同，热膨胀系数和晶格常数不匹配，会造成异质外延材料缺陷高。这时候，碳化硅的优势就显现出来了。碳化硅晶体可以在碳化硅衬底上同质生长，缺陷密度低，可以充分发挥碳化硅耐高压特性，器件耐压能力很容易达到1200伏—1700伏。碳化硅功率开关器件适合高温、高压、大功率应用场景，未来将与“基于硅的绝缘栅双极晶体管”形成市场竞争，目前主要应用在电动车和充电桩。“碳化硅已经用于特斯拉电动车，将来也适用于电网、机车牵引以及航天航空领域。”

 

第三代半导体之前仅小范围应用，为何这两年会成为爆发的节点？“其实我国的半导体设计能力并不弱，比如，华为就自主研发了7纳米麒麟芯片。我国的集成电路行业‘短板’主要集中在原材料、设计软件和制造设备上，所以才导致小尺寸硅集成电路加工受制于人。而第三代半导体，器件完全可以采用现有的大尺寸器件加工平台完成，例如，功率开关器件，只需0.35微米—0.5微米加工工艺，制造线稍加改造调整即可。第三代半导体的应用大爆发，也可以看作是‘弯道超车’，希望我们国家在这方面赢得时机，跑在前面。”专家称。据介绍，中车集团和上海积塔半导体都在建设6英寸碳化硅生产线。

 

第三代半导体之后，什么材料会再领风骚？“绝缘体的禁带宽度很大，很难通过掺杂使其导电。但近年来随着技术的不断发展，有些绝缘体也可以当作半导体使用，因此被认为是第3.5代半导体。”

 

比如，金刚石和氮化铝，它们的禁带宽度分别为5.45电子伏特和6.2电子伏特，非常适合于高温、高辐射等极端环境下的功率开关器件应用。“不过，要想合成单晶、大尺寸的金刚石还非常困难，道路还很长。”专家说。