寬禁帶半導(dǎo)體為何能成為第三代半導(dǎo)體

作者| 薛定諤的咸魚

2020年9月27日，近期，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將寫入“十四五”規(guī)劃的消息在網(wǎng)絡(luò)上傳播。第三代半導(dǎo)體主要是指氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體，它們通常都具有高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度、可承受大功率等特點(diǎn)。

但是，很多人容易被“第三代”半導(dǎo)體這個(gè)名字誤導(dǎo)。

賽道不同

第一代、第二代、第三代半導(dǎo)體之間應(yīng)用場(chǎng)景是有差異的。以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導(dǎo)體應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，從尖端的CPU、GPU、存儲(chǔ)芯片，再到各種充電器中的功率器件都可以做。雖然在某些領(lǐng)域的性能方面表現(xiàn)不佳，但還有性價(jià)比助其占據(jù)市場(chǎng)。第二代半導(dǎo)體以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP）為代表，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣怆娮?、微電子、微波功率器件等。第三代半?dǎo)體以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣β势骷?、光電子、射頻。

第三代半導(dǎo)體和第二代、第一代之間不是迭代關(guān)系，它們的應(yīng)用場(chǎng)景有交叉，但不完全重合。

舉個(gè)例子來(lái)說，硅這類第一代半導(dǎo)體就像一個(gè)高年級(jí)學(xué)生，氮化鎵這類第三代半導(dǎo)體就像一個(gè)新生。高年級(jí)學(xué)生主要是練田徑運(yùn)動(dòng)的，而新生則是練游泳的。

每年學(xué)校都會(huì)舉辦運(yùn)動(dòng)會(huì)，在新生來(lái)之前，運(yùn)動(dòng)會(huì)所有項(xiàng)目（包括游泳）都是由高年級(jí)學(xué)生參加，雖然高年級(jí)學(xué)生是練田徑的，但是因?yàn)樯眢w素質(zhì)較好也可以參加其它類型的比賽。

現(xiàn)在專業(yè)練游泳的新生來(lái)了，新生的游泳速度比高年級(jí)學(xué)生快了不少，但新生田徑項(xiàng)目表現(xiàn)很糟糕。所以之后的部分游泳比賽就逐漸的交給新生參加了，而高年級(jí)學(xué)生也更專注田徑比賽。

漸漸地，新生在游泳領(lǐng)域獲得了很多獎(jiǎng)項(xiàng)，高年級(jí)學(xué)生如此評(píng)價(jià)： “好，很有精神！”即使所有游泳比賽都交給新生參加，學(xué)校運(yùn)動(dòng)會(huì)中大多數(shù)比賽項(xiàng)目還是田徑比賽，游泳比賽只占一小部分。所以在這種情況下高年級(jí)學(xué)生依舊是你們的老大哥。

第三代半導(dǎo)體有其擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，在自己的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)性能是可以超過硅、鍺等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，但在領(lǐng)域外，還是硅的天下。

什么是半導(dǎo)體?

有些人看到這個(gè)問題可能會(huì)覺得答案很簡(jiǎn)單。半導(dǎo)體嘛，就是電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。電阻率高的幾乎不導(dǎo)電的就是絕緣體，電阻率低的很容易導(dǎo)電的就是導(dǎo)體。

以上理解并不能算錯(cuò)，但如果想研究半導(dǎo)體材料，以上理解是完全不夠的。比如如何看待電阻率很高的金剛石被列為第三代“半導(dǎo)體”材料，以及如何看待“超導(dǎo)金剛石”的相關(guān)研究？顯然要理解這些問題需要更深層的理論。

能帶理論就能很好的解決這些問題。

眾所周知，電子是圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的，如上圖所示。其中2p、3s之類的就是電子的軌道。電子在不同軌道上具有不同的能量，這些能量值就是能級(jí)了。

在現(xiàn)實(shí)中基本不會(huì)有一個(gè)原子單獨(dú)存在的情況，大多都是一堆原子聚集在一起。

如果多個(gè)原子排在一起的話，那么一個(gè)電子就會(huì)受到其它原子的影響，這些原子的電子軌道（量子態(tài)）就會(huì)發(fā)生交疊，在這種交疊的情況下電子就可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上。既然電子可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上，那么它也可以繼續(xù)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)原子上，所以說電子可以通過這種方式在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為共有化運(yùn)動(dòng)。

截取自北京地鐵官方網(wǎng)站

舉個(gè)通俗的例子，我們每個(gè)人就像電子，而這些軌道就像地鐵的線路一樣。這些地鐵線路是有交疊的地方，有些交疊的地方被設(shè)置為換乘車站，可以從一條線路換成另一條線路。因?yàn)閾Q乘線路的存在，我們可以通過換乘的方式到達(dá)地鐵線路中的任意一個(gè)站點(diǎn)。電子的共有化運(yùn)動(dòng)也是類似這樣。

正因?yàn)樵谄渌拥挠绊懴?，能?jí)分裂成了能帶。當(dāng)原子周期性排列形成晶體互相靠近時(shí)，每一個(gè)能級(jí)都分裂為很多彼此相距很近的能級(jí)，形成能帶。

其中內(nèi)層電子共有化運(yùn)動(dòng)弱，能級(jí)分裂小，能帶窄；外殼層電子共有化運(yùn)動(dòng)顯著，能帶寬。

在具備能帶知識(shí)的基礎(chǔ)上我們來(lái)看這張圖，圖中：

價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶

導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶

禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶

帶隙（禁帶寬度）：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差

從圖中我們不難發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和絕緣體之間差異最大的地方在于禁帶寬度，而在第三代半導(dǎo)體概念中的寬禁帶半導(dǎo)體，其中“寬禁帶”指的就是禁帶寬度比較寬。

舉個(gè)例子，比如在跨欄運(yùn)動(dòng)中欄架高度大約1米，厚度也很小。所以運(yùn)動(dòng)員可以輕松的跨過去。但是如果把欄架換成3米高的磚墻，厚度也增加很多，這樣運(yùn)動(dòng)員就不太容易跨過去了。

半導(dǎo)體和絕緣體也是這樣，半導(dǎo)體的禁帶像標(biāo)準(zhǔn)的欄架，電子比較容易跨過，而絕緣體的禁帶則是高墻，電子幾乎不能跨過。而這里欄架和墻的厚度和高度就相當(dāng)于禁帶寬度。

值得說明的一點(diǎn)是，禁帶寬度不是永恒不變的。比如同一種材料在不同溫度下的禁帶寬度是不一樣的。而且可以通過摻雜等方式改變禁帶寬度。

前文簡(jiǎn)單介紹了什么是半導(dǎo)體，那么現(xiàn)在來(lái)說什么是半導(dǎo)體的職責(zé)。

引用莎士比亞的話來(lái)說就是：To be or not to be,that's a question.翻譯成北京話就是：這么著兒，還是那么著兒。具體來(lái)說就是一個(gè)好的半導(dǎo)體一定要是一個(gè)可以選擇的狀態(tài)，比如我給它加電壓，它就導(dǎo)通（這么著兒），我不給它加電壓，它就應(yīng)該關(guān)閉（那么著兒）。同理如果我給它加電壓它導(dǎo)通（這么著兒），我不給它加電壓它還這么著兒（導(dǎo)通），那這就是個(gè)導(dǎo)體。如果我不給它加電壓它關(guān)閉，當(dāng)我給它加電壓它還這么著兒（關(guān)閉），那它就是個(gè)絕緣體。

寬禁帶的優(yōu)勢(shì)

第三代半導(dǎo)體主要是指寬禁帶半導(dǎo)體，那么這個(gè)“寬禁帶”到底怎樣帶來(lái)性能優(yōu)勢(shì)呢？

大家都知道電子的定向移動(dòng)形成電流，繼續(xù)之前的舉例，電子這位“運(yùn)動(dòng)員”只需要跨過欄架或者高墻就完成工作了。但是電子跨過護(hù)欄和高墻都需要一些力氣，這種時(shí)候如果有人能扶他一下就會(huì)很省力了。這些幫助者可以是光照或者外加電壓，為其提供能量。

前文已經(jīng)介紹了半導(dǎo)體的職責(zé)，那么現(xiàn)在就是如果選擇“To be or not to be”的交界線了，在例子中這個(gè)交界線就是障礙物的高度和厚度，也就是實(shí)際中的禁帶寬度。所以針對(duì)應(yīng)用選擇一個(gè)合適的“禁帶寬度”材料就很重要了。

以金剛石為例，金剛石的禁帶寬度達(dá)5.5eV，遠(yuǎn)大于Ge（0.67eV）、Si（1.12eV）和GaAs（1.43ev）等常規(guī)材料，這不僅保證了金剛石器件能在700-1000度下安全工作，有良好的抗輻射加固能力，而且大大提高了器件的雪崩擊穿電壓壓。

另外禁帶寬度也與場(chǎng)效應(yīng)管的溝道導(dǎo)通電阻有關(guān)，禁帶寬度越大，相應(yīng)器件就會(huì)具有較低的導(dǎo)通電阻。

金剛石熱導(dǎo)率很大，因此用金剛石制作的器件散熱性能良好。金剛石的介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)也很高，大致為V/cm，所以能提高器件的最高工作溫度和功率。

同時(shí)金剛石的介電常數(shù)較低，這可以影響到器件的阻抗，并且有利于提高器件的工作頻率。

第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用

LED：

第三代半導(dǎo)體以氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這些三族氮化物為例，這些氮化物半導(dǎo)體可以制作藍(lán)光LED、綠光LED，最終可以通過組合的方式實(shí)現(xiàn)白光LED?，F(xiàn)在不少手機(jī)屏幕，顯示器的背部光源用的就是LED。

人類用氮化物制造LED的歷史其實(shí)有很長(zhǎng)時(shí)間了，中村修二于1993年在日本日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社就職期間，基于GaN開發(fā)了高亮度藍(lán)色LED。中村修二于2014年與赤崎勇，天野浩因發(fā)明“高效藍(lán)色發(fā)光二極管”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

出自《我國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng):繼續(xù)直線上升——我國(guó)超高亮度及白光LED產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展》

此文章發(fā)表于2005年，在那時(shí)國(guó)外很多公司已經(jīng)將氮化物用于制作LED，并且實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

紫外探測(cè)：

紫外探測(cè)是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用之一。

比如在高壓電線桿上有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)放電的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為“電暈”。高電壓設(shè)備電暈放電會(huì)產(chǎn)生紫外線，我們只需要檢測(cè)這些紫外線就能更好的監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行。同理也可以監(jiān)測(cè)高鐵等其它設(shè)備上的電暈情況。

再比如紫外探測(cè)可以檢測(cè)導(dǎo)彈的尾焰、森林防火、船只導(dǎo)航等用途。

高功率器件：

用第三代半導(dǎo)體制作的高功率器件具有體積更小、效率更高、性能更強(qiáng)等特點(diǎn)。

比如各大廠商推出的GaN手機(jī)充電器。特別是手機(jī)開啟快充時(shí)代后，手機(jī)充電器的功率越來(lái)越大，如果繼續(xù)用傳統(tǒng)材料制作手機(jī)充電器，那么體積就會(huì)太大進(jìn)而不方便攜帶。而用GaN制作的手機(jī)充電器體積就能縮小很多。同理也可以用GaN制作筆記本電腦的電源適配器。

除了手機(jī)以外，其它更大的設(shè)備也可以使用類似的技術(shù)。比如新能源汽車的充電樁。對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說提高充電效率每年就可以省下不少的電力資源。同理也可以用于制作汽車上使用的IGBT。

用第三代半導(dǎo)體制作的器件可以在瞬間輸出巨大的能量，因此它也可以被用于制作航空母艦上的電磁彈射器，或者是艦船上的電磁炮。

射頻與微波：

在這方面，大家比較熟知的應(yīng)該就是5G了。使用第三代半導(dǎo)體材料可以建造更加節(jié)能且性能更強(qiáng)的5G基站，而且也可以用于制作5G射頻芯片。

在軍用方面，第三代半導(dǎo)體可以用于制作包括相控陣?yán)走_(dá)在內(nèi)的各種軍用雷達(dá)。在AUSA2016上,雷聲公司展示了第一臺(tái)全尺寸的“愛國(guó)者”下一代雷達(dá)的原型機(jī)。這種新型雷達(dá)采用了AESA體制和氮化鎵(GaN)材料制成的芯片。“愛國(guó)者”防空系統(tǒng)原有的雷達(dá)是無(wú)源相控陣體制的AN/MPQ-53/65,其使用的是砷化鎵(GaAs)材料制成的芯片。

硅還是老大哥

在前文中提到過第三代半導(dǎo)體和第一代、第二代半導(dǎo)體因?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)景方面的問題，并不屬于同一賽道。

那么現(xiàn)在半導(dǎo)體市場(chǎng)上主流業(yè)務(wù)是什么呢？是集成電路。而恰巧，在當(dāng)前技術(shù)條件下第三代半導(dǎo)體不適合用于制作數(shù)字邏輯電路。第三代半導(dǎo)體的主戰(zhàn)場(chǎng)更多的會(huì)集中在分立器件上。

根據(jù)相關(guān)新聞報(bào)道，2018年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到4779.4億美元，而且每年還在快速增長(zhǎng)中。根據(jù)國(guó)外研究機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，到了2025年第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到434億美元。

但從我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來(lái)說，發(fā)展第三代半導(dǎo)體總算暫時(shí)不用被先進(jìn)光刻機(jī)卡脖子了。

意法半導(dǎo)體(ST)新材料和電源方案事業(yè)部的創(chuàng)新和關(guān)鍵項(xiàng)目戰(zhàn)略營(yíng)銷總監(jiān)Filippo Di Giovanni預(yù)測(cè)：“隨著GaN技術(shù)向更小的工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，在達(dá)到0.15μm柵長(zhǎng)時(shí)，GaN將挑戰(zhàn)GaAs器件在便攜式無(wú)線應(yīng)用中的主導(dǎo)地位。”

我國(guó)先進(jìn)的光刻機(jī)可能在短期內(nèi)無(wú)法突破，在如果只是光刻0.15μm（150nm）的光刻機(jī)還是沒有問題的。

對(duì)于高頻小信號(hào)器件來(lái)說，它們需要低噪聲系數(shù)。因此目前在某些情況下GaAs仍具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然現(xiàn)在也有一些類似“數(shù)字預(yù)失真技術(shù)”可以幫助GaN器件在高頻場(chǎng)景下達(dá)到更好的性能。所以從長(zhǎng)期來(lái)看，GaN取代部分GaAs的市場(chǎng)地位是大趨勢(shì)。

對(duì)于硅材料來(lái)說，其實(shí)業(yè)界很早就發(fā)現(xiàn)了這種材料的不足。比如漏電和散熱問題，以及未來(lái)可能會(huì)觸及硅的物理極限。但是整條產(chǎn)業(yè)鏈上并沒有多少人愿意做出改變，他們更偏向于使用新技術(shù)繼續(xù)給硅“續(xù)命”。

舉個(gè)例子來(lái)說就是，一件破衣服，大家都不太舍得直接換新的，然后就是“新三年，舊三年，縫縫補(bǔ)補(bǔ)又三年。”而且經(jīng)過這些年的修補(bǔ)，裁縫的手藝越來(lái)越好了，暫時(shí)還是能繼續(xù)修下去。

關(guān)于硅的“接班人”現(xiàn)在還尚不確定，比如“二維超導(dǎo)材料”亦或是“拓?fù)浣^緣體”都有可能接班。不過相關(guān)材料大規(guī)模商業(yè)也是很多年之后的事了。

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