日前，阿里巴巴達摩院預測了2021年科技趨勢，其中位列第一的是以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導體將迎來應用大爆發。第三代半導體與(yu)前(qian)兩代有(you)什(shen)么不同？為何(he)這兩年會成為爆(bao)發的節點？第三(san)代半導體(ti)之后，什(shen)么材料(liao)會再領風(feng)騷？記者采訪了專家(jia)。

禁帶寬(kuan)度，是用來區(qu)分不同代際半導體的(de)關鍵參數。

作(zuo)為(wei)第(di)三代半導(dao)(dao)體(ti)，氮化(hua)鎵(jia)和碳化(hua)硅的(de)(de)禁(jin)帶寬度分別為(wei)3.39電子(zi)伏特(te)和3.26電子(zi)伏特(te)，較高的(de)(de)禁(jin)帶寬度非(fei)常適(shi)合(he)高壓器(qi)件應用(yong)。氮化(hua)鎵(jia)電子(zi)飽(bao)和速度高，是(shi)硅的(de)(de)2.5倍，是(shi)砷化(hua)鎵(jia)的(de)(de)2倍，非(fei)常適(shi)合(he)做微(wei)波器(qi)件，比如手機內的(de)(de)射頻前端放(fang)大(da)器(qi)、5G基(ji)站以及微(wei)波雷達(da)。微(wei)波雷達(da)并(bing)不(bu)限于應用(yong)在航天航空(kong)和國防領(ling)域，將來在新能源汽車自動(dong)駕駛里也(ye)有(you)應用(yong)潛力，可利用(yong)它精確感知障礙物，指導(dao)(dao)自動(dong)駕駛數據及時調整。

此外(wai)，氮(dan)化(hua)鎵還可(ke)(ke)用(yong)做(zuo)功率開關器(qi)(qi)件(jian)，開關速(su)度越(yue)快(kuai)，電(dian)(dian)源轉換系統(tong)就(jiu)可(ke)(ke)以做(zuo)得(de)更小，功耗也能降低。手機充電(dian)(dian)器(qi)(qi)里就(jiu)有功率開關器(qi)(qi)件(jian)，可(ke)(ke)以把(ba)220伏(fu)的交流電(dian)(dian)轉化(hua)為(wei)5伏(fu)直流電(dian)(dian)，然后(hou)給手機充電(dian)(dian)。“現在受到歡迎(ying)的小型快(kuai)速(su)充電(dian)(dian)器(qi)(qi)，就(jiu)用(yong)了(le)氮(dan)化(hua)鎵功率開關器(qi)(qi)件(jian)，未來(lai)還有望用(yong)于無線充電(dian)(dian)器(qi)(qi)。”

不(bu)過(guo)，氮(dan)化(hua)(hua)(hua)鎵也有(you)局(ju)限(xian)，需要在藍寶石、硅(gui)(gui)(gui)、碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)等襯(chen)底上異(yi)質外延(yan)生長。由(you)于(yu)材料不(bu)同，熱膨脹系(xi)數和(he)晶格常數不(bu)匹(pi)配，會造成異(yi)質外延(yan)材料缺(que)陷高。這時候，碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)的優勢就顯現出來(lai)了(le)。碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)晶體(ti)可以(yi)在碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)襯(chen)底上同質生長，缺(que)陷密度低，可以(yi)充分發(fa)揮碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)耐高壓(ya)(ya)特(te)性，器(qi)件(jian)(jian)耐壓(ya)(ya)能力很容易達到1200伏(fu)(fu)—1700伏(fu)(fu)。碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)功(gong)率開(kai)關器(qi)件(jian)(jian)適合高溫、高壓(ya)(ya)、大(da)功(gong)率應用場景，未來(lai)將(jiang)(jiang)與“基于(yu)硅(gui)(gui)(gui)的絕緣柵雙極晶體(ti)管”形成市(shi)場競(jing)爭，目前主要應用在電動車(che)和(he)充電樁。“碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)已經用于(yu)特(te)斯(si)拉電動車(che)，將(jiang)(jiang)來(lai)也適用于(yu)電網、機(ji)車(che)牽(qian)引以(yi)及航(hang)天航(hang)空領域。”

第(di)(di)三(san)代(dai)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)之前僅小范(fan)圍應用(yong)，為何這(zhe)兩年會成(cheng)(cheng)(cheng)為爆(bao)(bao)發的(de)節點(dian)？“其實我國(guo)的(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)設計能力并不弱，比如，華為就(jiu)自(zi)主研發了7納米麒麟芯片。我國(guo)的(de)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)電路行(xing)業‘短(duan)板’主要集(ji)中在原材料、設計軟件和制(zhi)造(zao)設備上，所(suo)以才導(dao)致小尺寸(cun)硅(gui)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)電路加工(gong)受制(zhi)于人(ren)。而第(di)(di)三(san)代(dai)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)，器件完(wan)全可以采用(yong)現(xian)有的(de)大尺寸(cun)器件加工(gong)平臺完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)，例如，功(gong)率開關器件，只需0.35微米—0.5微米加工(gong)工(gong)藝(yi)，制(zhi)造(zao)線稍加改造(zao)調整即可。第(di)(di)三(san)代(dai)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)的(de)應用(yong)大爆(bao)(bao)發，也可以看作是(shi)‘彎道(dao)超(chao)車(che)’，希(xi)望我們國(guo)家在這(zhe)方面(mian)贏得時機，跑在前面(mian)。”專(zhuan)家稱。據介紹，中車(che)集(ji)團和上海(hai)積(ji)塔半(ban)(ban)導(dao)體(ti)都在建設6英寸(cun)碳化硅(gui)生產(chan)線。

第三代半(ban)導(dao)體(ti)之后(hou)，什么(me)材料會再領風騷(sao)？“絕(jue)緣(yuan)體(ti)的禁帶寬度很大，很難通過摻雜使其導(dao)電。但近年來隨著技術的不斷發展，有些絕(jue)緣(yuan)體(ti)也可以當(dang)作半(ban)導(dao)體(ti)使用，因此被認為(wei)是(shi)第3.5代半(ban)導(dao)體(ti)。”

比如，金剛石和(he)氮化鋁(lv)，它們的禁(jin)帶寬(kuan)度分別為(wei)5.45電子伏特(te)和(he)6.2電子伏特(te)，非(fei)常適合于高溫、高輻射等(deng)極端(duan)環境(jing)下(xia)的功(gong)率開關(guan)器件(jian)應用。“不過，要想(xiang)合成單晶(jing)、大尺(chi)寸的金剛石還(huan)非(fei)常困難，道路(lu)還(huan)很長(chang)。”專家說。