快速了解第三代半导体和宽禁带半导体是什么

作者| 薛定谔的咸鱼

半导体新闻2020年9月27日，第三代半导体行业将在互联网上传播十四五规划新闻。第三代半导体主要是指氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带半导体。它们通常具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、高饱和电子速度、高电子密度和高功率的特点。

然而，许多人很容易被第三代半导体这个名字误导。

赛道不同

第一代、第二代和第三代半导体的应用场景是不同的。以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体应用场景十分广泛，从尖端的CPU、GPU、存储芯片，然后在各种充电器中进行功率设备。虽然在某些领域表现不佳，但也有性价比帮助它占领市场。第二代半导体半导体（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP）以光电子、微电子、微波功率器件等为代表。碳化硅是第三代半导体（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石为代表，主要应用领域为功率器件、光电子、射频。

第三代半导体与第二代和第一代没有迭代关系，它们的应用场景是交叉的，但不完全重叠。

例如，硅的第一代半导体就像高年级学生，氮化镓等第三代半导体就像新生。高年级学生主要练习田径，而新生则练习游泳。

学校每年都会举办运动会。新生来之前，所有的运动会(包括游泳)都是高年级学生参加的。高年级学生虽然练田径，但也可以因为身体素质好而参加其他类型的比赛。

现在专业游泳的新生来了。新生的游泳速度比高年级学生快得多，但新生的田径表现很差。因此，一些游泳比赛逐渐交给新生，高年级学生更注重田径比赛。

渐渐地，新生在游泳领域获得了许多奖项，高年级学生如此评价： 好吧，很有活力！即使所有的游泳比赛都交给新生，学校运动会的大部分比赛都是田径比赛，游泳比赛只占一小部分。所以在这种情况下，大四学生仍然是你的老大哥。

第三代半导体有其擅长的领域应用领域的性能可以超过硅、锗等传统半导体材料，但在该领域之外，它仍然是硅的世界。

半导体是什么？

有些人看到这个问题可能会觉得答案很简单。半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。绝缘体几乎不导电，导体容易导电。

以上理解不是错误的，但如果你想研究半导体材料，上述理解是完全不够的。例如，如何将高电阻金刚石列为第三代半导体材料，以及如何看待超导金刚石？显然，理解这些问题需要更深入的理论。

这些问题可以通过理论来解决。

众所周知，电子是围绕原子核旋转的，如上图所示。p、3s这是电子轨道。电子在不同的轨道上有不同的能量，这就是能量水平。

现实中，基本上没有一个原子单独存在，大多数原子聚集在一起。

如果多个原子排列在一起，一个电子会受到其他原子的影响，这些原子的电子轨道(量子态)会重叠。在这种重叠的情况下，电子可以从一个原子转移到另一个原子。由于电子可以从一个原子转移到另一个原子，它也可以继续转移到下一个原子，因此电子可以以这种方式在整个晶体中这被称为共同运动。

截取北京地铁官方网站

举个流行的例子，我们每个人都像电子，这些轨道就像地铁线路。这些地铁线路是重叠的地方，一些重叠的地方设置为换乘站，可以从一条线路改为另一条线路。由于换乘线路的存在，我们可以通过换乘到地铁线路中的任何站点。电子共享运动也是如此。

正是因为在其他原子的影响下，能量水平被分裂成能量带。当原子周期性排列形成晶体相互靠近时，每个能量水平分为许多相互靠近的能量水平，形成能量带。

内层电子共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；外壳层电子共有化运动明显，能带宽。

在有知识的基础上，我们来看看这张图，图中:

价带：0K在电子条件下，电子填充的能量最高

导带：0K未电子填充的能量最低的能量带

禁带：导带底与价带顶之间可带

带隙(禁带宽度):导带底与价带顶之间的能量差

从图中不难发现，半导体和绝缘体之间最大的区别在于禁带宽度，而第三代半导体概念中的宽禁带半导体指的是宽禁带宽度。

例如，在跨栏运动中，栏架的高度约为1米，厚度也很小。所以运动员可以很容易地穿过它。但如果栏架被3米高的砖墙取代，厚度也会增加很多，所以运动员不容易穿过。

半导体和绝缘体也是如此。像标准栏架一样，半导体的禁带更容易通过电子，而绝缘体的禁带是高墙，电子几乎无法通过。栏架和墙的厚度和高度相当于禁带宽度。

值得注意的是，禁带宽度不是永恒的。例如，同一材料在不同温度下的禁带宽度是不同的。禁带宽度可以通过混合改变。

前面简单介绍了什么是半导体，现在什么是半导体的职责。

引用莎士比亚的话说：To be or not to be,that's a question.翻译成北京话就是这样，还是那样。具体来说，一个好的半导体必须处于可选状态。例如，如果我给它加电压，它会导致它（所以）。如果我不给它加电压，它应该关闭（所以）。同样，如果我给它加电压，它就会导)，我不给它加电压，它还是这样(导通)，那就是导体。如果我不给它加电压它关闭，当我给它加电压它还这么着儿（关闭），那它就是个绝缘体。

宽禁带的优点

第三代半导体主要指宽禁带半导体，那么这种宽禁带如何带来性能优势呢？

众所周知，电子定向移动形成电流。继续以前的例子。电子运动员只需要跨过栏架或高墙即可完成工作。然而，电子穿过护栏和高墙需要一些力量。在这个时候，如果有人能帮助他，那将是非常省力的。这些帮手可以通过光线或外部电压为他们提供能量。

前面已经介绍了半导体的职责，所以如果选择To be or not to be交界线界线是障碍物的高度和厚度，即实际的禁带宽度。因此，选择合适的禁带宽度材料进行应用是非常重要的。

以金刚石为例，金刚石的禁带宽度为5.5eV，远大于Ge（0.67eV）、Si（1.12eV）和GaAs（1.43ev）常规材料，不仅保证了金刚石设备在700-1000度下安全工作，具有良好的抗辐射加固能力，而且大大提高了设备的雪崩穿透电压。

此外，禁带宽度也与现场效应管的沟通电阻有关。禁带宽度越大，相应设备的导通电阻越低。

金刚石热导率大，所以金刚石制成的器件散热性能好。金刚石性能。金刚石也很强，大致是V/cm，因此，可以提高设备的最高工作温度和功率。

同时金刚石的介电常数较低，这可以影响到器件的阻抗，并且有利于提高器件的工作频率。

第三代半导体的应用

LED：

第三代半导体以氮化镓、氮化铝和氮化镓为例。这些氮化物半导体可以制成蓝光LED、绿光LED，白光最终可以通过组合实现LED。现在很多手机屏幕，显示器背面的光源都用了LED。

人类用氮化物制造LED其实历史已经很久了。1993年，中村修二在日本日亚化工有限公司就职期间，基于GaN开发高亮度蓝色LED。2014年，中村修二与赤崎勇，天野浩因发明高效蓝光二极管而获得诺贝尔物理学奖。

出自《我国半导体市场:继续直线上升——我国超高亮度及白光LED产业现状与发展

本文于2005年发表，当时国外很多公司都用氮化物制作LED，并实现了商业化。

紫外探测：

紫外线检测是第三代半导体的重要应用之一。

比如在高压电线杆上有时候会出现放电的现象，这种现象称之为“电晕”。高电压设备电晕放电会产生紫外线，我们只需要检测这些紫外线就能更好的监测电网设备的运行。同理也可以监测高铁等其它设备上的电晕情况。

另一个例子是紫外线检测可以检测导弹的尾焰、森林防火、船舶导航等用途。

高功率器件：

由第三代半导体制成的高功率器件具有体积小、效率高、性能强等特点。

比如各大厂商推出的GaN手机充电器。特别是手机开启快速充电时代后，手机充电器的功率越来越大。如果手机充电器继续用传统材料制作，体积会太大，不方便携带。GaN手机充电器的体积可以缩小很多。也可以使用GaN制作笔记本电脑的电源适配器。

除了手机，其他更大的设备也可以使用类似的技术。例如，新能源汽车的充电桩。对于电动汽车来说，提高充电效率每年可以节省大量的电力资源。它也可以用来制造汽车IGBT。

由第三代半导体制成的设备可以在瞬间输出巨大的能量，因此也可以用来制造航空母舰上的电磁弹射器或船上的电磁炮。

射频与微波：

在这方面，大家应该都知道5。G。使用第三代半导体材料可以建造更节能、性能更强的5G也可用于制作5个基站G射频芯片。

第三代半导体可用于制作各种军用雷达，包括相控阵雷达。在AUSA2016年，雷声公司展示了第一台全尺寸爱国者下一代雷达原型机。采用了这种新型雷达AESA制度和氮化镓(GaN)由材料制成的芯片。爱国者防空系统原有的雷达是无源相控阵系统AN/MPQ-使用砷化镓53/65(GaAs)由材料制成的芯片。

硅是老大哥

在前文中提到过第三代半导体和第一代、第二代半导体因为应用场景方面的问题，并不属于同一赛道。

那么现在半导体市场上主流业务是什么呢？是集成电路。而恰巧，在当前技术条件下第三代半导体不适合用于制作数字逻辑电路。第三代半导体的主战场更多的会集中在分立器件上。

根据相关新闻报道，2018年全球半导体市场规模达到4779.4亿美元，而且每年还在快速增长中。根据国外研究机构数据显示，到了2025年第三代半导体市场的规模将达到434亿美元。

但从我国半导体产业发展的角度来说，发展第三代半导体总算暂时不用被先进光刻机卡脖子了。

意法半导体(ST)新材料和电源方案事业部的创新和关键项目战略营销总监Filippo Di Giovanni预测：“随着GaN技术向更小的工艺节点演进，在达到0.15μm栅长时，GaN将挑战GaAs器件在便携式无线应用中的主导地位。”

我国先进的光刻机可能在短期内无法突破，在如果只是光刻0.15μm（150nm）的光刻机还是没有问题的。

对于高频小信号器件来说，它们需要低噪声系数。因此目前在某些情况下GaAs仍具优势。当然现在也有一些类似“数字预失真技术”可以帮助GaN器件在高频场景下达到更好的性能。所以从长期来看，GaN取代部分GaAs的市场地位是大趋势。

对于硅材料来说，其实业界很早就发现了这种材料的不足。比如漏电和散热问题，以及未来可能会触及硅的物理极限。但是整条产业链上并没有多少人愿意做出改变，他们更偏向于使用新技术继续给硅“续命”。

举个例子来说就是，一件破衣服，大家都不太舍得直接换新的，然后就是“新三年，旧三年，缝缝补补又三年。”而且经过这些年的修补，裁缝的手艺越来越好了，暂时还是能继续修下去。

关于硅的“接班人”现在还尚不确定，比如“二维超导材料”亦或是“拓扑绝缘体”都有可能接班。不过相关材料大规模商业也是很多年之后的事了。

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