第三代半导体材料特点及资料介绍

时间:2018-05-30 16:37来源:电子说

摘要:从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)——并称为第三代半导体材料的双雄。

第三代半导体的材料特性
与第一二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力(图2),更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2eV),亦被称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)——并称为第三代半导体材料的双雄。


 
图2第三代半导体的材料特性
  
相对于Si,SiC的优点很多:有10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点,用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。42GHz频率的SiCMESFET用在军用相控阵雷达、通信广播系统中,用SiC作为衬底的高亮度蓝光LED是全彩色大面积显示屏的关键器件。
  
在碳化硅SiC中掺杂氮或磷可以形成n型半导体,而掺杂铝、硼、镓或铍形成p型半导体。在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下拥有超导性,但掺杂Al和B的碳化硅两者的磁场行为有明显区别。掺杂铝的碳化硅和掺杂B的晶体硅一样都是II型半导体,但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体。
  
氮化镓(GaN、Galliumnitride)是氮和镓的化合物,此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。作为时下新兴的半导体工艺技术,提供超越硅的多种优势。与硅器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。
  
GaN具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度、更高的工作温度。氮化镓的能隙很宽,为3.4eV,广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关DCDC等电源系统设计,以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。
  
GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高,又是一种良好的涂层保护材料。
  
GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的p型样品,都是高补偿的。


 
图3显示Si、SiC、GaN半导体的特性对比
  
第三代半导体材料性能及应用
半导体产业发展至今经历了三个阶段,第一代半导体材料以硅(Si)为代表。第二代半导体材料砷化镓(GaAs)也已经广泛应用。而以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等宽禁带为代表的第三代半导体材料,相较前两代产品,性能优势显著并受到业内的广泛好评。 第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点, 因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。发展较好的宽禁带半导体主要是SiC和GaN,其中SiC的发展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些参数如下图所示:
  
可见,SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs,相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs,宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于Si和GaAs。以SiC为例,其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力, 非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
  
产品被市场所接受,价格和性能是最主要的考虑因素。SiC的性能毋庸置疑,但成本还是比硅产品高,在相同特性、相同电压、相同使用条件的情况下,大约会比硅产品贵5~6倍,因此,现阶段只能从要求高性能、且对价格不是很敏感的应用开始来取代硅产品,例如汽车、汽车充电桩、太阳能等。要取代硅制产品,SiC还是有很大的发展空间的。当SiC的成本能降到硅的2~3倍的时候,应该会形成很大的市场规模。到2020年,EV汽车大规模推出的时候,SiC市场会有爆发式的增长。
  
在应用方面,根据第三代半导体的发展情况, 其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域, 每个领域产业成熟度各不相同,如下图所示。在前沿研究领域,宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。


 
  
第三代半导体材料优势明显
回顾半导体产业的发展历程,其先后经历了以硅(Si)为代表的第一代半导体材料,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料,在上个世纪,这两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。而如今,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料被统称为第三代半导体材料。
  
作为一类新型宽禁带半导体材料,第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点:如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力,被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”,是光电子和微电子等产业的“新发动机”。
  
从应用范围来说,第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点。在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。
  
作为新一代半导体照明的关键器件,第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体材料,也是最具有发展前景的两种材料。
  
与第一代半导体材料硅相比,碳化硅有诸多优点:有高10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点,使其小至LED照明、家用电器、新能源汽车,大至轨道交通、智能电网、军工航天都具备优势,所以碳化硅市场被各产业界颇为看好。
  
而氮化镓直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异,在光电领域,氮化镓占绝对的主导地位,而在其他功率器件领域,碳化硅适用于1200V以上的高温大电力领域,GaN则更适用900V以下的高频小电力领域。可谓各有优势。


 
  
我国第三代半导体材料发展面临的机遇挑战
在巨大优势和光明前景的刺激下,目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域,但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢,宽禁带半导体技术亟待突破。
  
“最大的瓶颈是原材料。”中科院半导体研究所研究员、中国电子学会半导体与集成技术分会秘书长王晓亮认为,我国原材料的质量、制备问题亟待破解。此外,湖南大学应用物理系副教授曾健平也表示,目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺,大多数设备靠国外进口。
  
“国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低,阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。”国家半导体照明工程研发及产业联盟一专家表示,国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利,难以容忍长期“只投入,不产出”的现状。因此,以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。
  
原始创新即从无到有的创新过程,其特点是投入大、周期长。以SiC为例,其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大,虽然经过了数十年的研究发展,到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术,能够生产出较好的产品,但离真正的大规模产业化应用也还有较大的距离。因此,以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰,是实现产业化的一大桎梏。
  
“第三代半导体对我们国家未来产业会产生非常大的影响,其应用技术的研究比较关键,若相关配套技术及产品跟不上,第三代半导体的材料及器件的作用和效率可能会发挥不好,所以要全产业链协同发展。”中兴通讯副总裁晏文德表示。
  
是机遇也是挑战。未来,我国第三代半导体产业将面临许许多多的难题。就像北京大学宽禁带半导体研发中心沈波教授所说,当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好,因为过去十年,在半导体照明的驱动下,氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高,但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走,市场和产业刚刚启动,我们还面临巨大挑战,必须共同努力。

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