第三代半导体技术发展趋势（简报）
2024-03-27 09:46:24
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题记：本报告为第三代半导体技术趋势简报，主要从本领域的技术角度出发，观察技术的热点和趋势，以及在第三代半导体器件中发挥的作用。特别是以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料，其大的禁带宽度、高击穿场强和高电子饱和漂移速率等优良材料特性，可以满足现代电力电子系统对高功率密度、高频、高效性能的持续需求，在国民经济和人民生活中有着丰富的应用场景。第一代半导体材料发明并使用于20世纪50年代，以硅（Si）、锗（Ge）为代表，硅基器件很好的解决了电能的转换和控制，主要应用于制作集成电路的晶圆片和功率器件，第一代半导体材料引发了以集成电路为核心的微电子领域的飞速发展。第二代半导体材料发明并使用于20世纪80年代，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主要代表。与第一代半导体相比，砷化镓具有高频、耐辐射、耐高温等特点，因此被广泛应用于主流商用无线通信、光通信，以及国防军事等领域。第三代半导体材料是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度Eg>2.3eV）的半导体材料，其中又以SiC和GaN为最核心的材料。与第一代和第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、更高的电子饱和率和更高的耐辐射性，更适合制作耐高温、高频、大功率和耐辐射器件，并可广泛应用于高压、高频、高温和高可靠性领域，包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。
图1 第三代半导体特性
在第三代半导体材料中，GaN材料发展较早。在光电器件领域中，2007年GaN半导体固态照明逐步开始商业化，并在2018年前后行业最后洗牌，完成产业优化定型。近年来在光电领域比较突出的发展方向为Micro LED微显示以及蓝绿激光器，预估2024年穿戴设备将在开始量产后成为推动Micro LED芯片产值增长的另一个引擎，在半导体激光器领域，蓝绿半导体激光器将会逐步打破以日亚为首的技术壁垒，完成国产化替代技术方案。
GaN在另外一个分支的方向为GaN HEMT器件，主要应用于功率器件、电力电子器件、射频器件等。GaN的优势在于导通电阻仅为碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作频率明显更高。
图2 GaN技术发展历程
SiC具备耐高压、耐高温、高频率、抗辐射等优良电气特性，突破了硅基半导体材料的物理极限，也是第三代半导体的核心材料之一。碳化硅材料的禁带宽度大约是硅材料的三倍，而且碳化硅器件的极限工作温度是硅基器件的二倍以上。基于这些物理特性使得碳化硅材料更好的应用于高压、高温环境，同时相对于硅基器件，碳化硅器件尺寸更小、重量更轻、能量损耗更少。
图3 不同半导体材料主要参数对比
从材料的特性可以判断，电子漂移率越高，电阻率越小；击穿电场强度越高，越耐高压；禁带宽度越大，耐高压高温性能越好；热导率越高，工作上限温度越高等。
图4 SiC技术发展历程
为了缩小差距，在“十五计划”、“863计划”的支持下，中国科学院物理所、山东大学、中国电科46所和中国电科2所等科研单位挑起了技术追赶的重任。据郝建民（中国电科46所副总工程师）回忆，他是从1999年开始研发SiC，“当时国内实际上只有3个人（团队）在做，还没有产业概念”。另外两个团队包括：蒋民华院士（山东大学晶体研究所）和陈小龙博士（中科院物理研究所）。中科院物理所大约是在1997年开始部署宽禁带半导体研发工作，1999年，由陈小龙负责SiC晶体的研究工作。
1984年，蒋民华建立了山东大学晶体材料国家重点实验室，2000年左右，65岁的他提出将SiC晶体作为研究方向，并且亲自带队组建攻关团队，启动碳化硅单晶的生长和衬底加工工作。陈小龙曾透露，当时他们从基础研究开始，到自行搭建设备，再到摸清SiC晶体生长规律，“整整耗时6年”。而郝建民从2002到2014年，他一直在单晶炉的耐高温测试，历经12年慢慢走出了一条产业化之路。
SiC衬底是第三代半导体材料GaN和SiC的基石，通过在SiC衬底上生长所需的外延薄膜，然后进一步制成芯片和器件，应用于5G通信及新能源等领域。
图5 SiC外延及器件应用
以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体其主要特点为高频率、高电压、高功率、耐高温、抗辐照等。
笔者从本公众号的后台浏览及转发数据，来分析第三代半导体技术趋势，从相对的大数据看，有一定代表性，也反映出当下第三代半导体的发展趋势。
从关注度看，所有关于器件失效及可靠性的推文，浏览量都是较高的，最高的单篇浏览次数接近1.2万人次。可推断，本领域的技术热点首要为器件可靠性提升。
技术摘要：在第三代半导体技术研发或者产业化过程中，器件的可靠性决定着器件产品的最终生死，也是转化为产品要解决的核心问题。不管是HEMT器件、激光器器件、深紫外器件都必须直面的问题，而且是业内的难点。可靠性内容包括器件失效、器件热管理、衰化机制等等。
图6 影响器件可靠性的因素（包括但不限于以上）
图7 第三代半导体器件技术关注度优先级
再次说明，上图数据来自本公众号推文后台阅读量数据，从上图看出，关于SiC的设备制造、外延生长以及相关器件，阅读量相对较高。其次是GaN HEMT材料及器件，再次是GaN 基激光器，最后AlGaN紫外领域的文章大家“漠不关心”，笔者认为最近几年技术发展相对皮软。
同时，在第三代半导体的材料和器件领域，以下关键词也是大家比较关注的问题。
图8 关键技术
依据半导体的摩尔定律，半导体朝着小型化、高集成度以及低成本发展，总的方向还是会沿着这条主线进行。纵观近年来半导体技术的发展，可以看到存在明显的生命周期，每一次周期后都会完成洗牌和资源的再优化调整，更重要的是完成成本的降低，进一步贴近人民的生活需求，也在逐步改变人们的生活，向着更智能、更舒适、更享受、更个性的方式推进。
未来已来，最后引用思想政治课里的一句话，让科技成果为更多人所及所享，让人民充分享受科技发展的成果，为构建人类命运共同体贡献更多的科技力量。
