日前，阿里巴巴達(dá)摩院預(yù)測(cè)了2021年科技趨勢(shì)，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(dǎo)體將迎來應(yīng)用大爆發(fā)。第三代半導(dǎo)體與前兩代有什么不同?為何這兩年會(huì)成為爆發(fā)的節(jié)點(diǎn)?第三代半導(dǎo)體之后，什么材料會(huì)再領(lǐng)風(fēng)騷?記者采訪了專家。
禁帶寬度，是用來區(qū)分不同代際半導(dǎo)體的關(guān)鍵參數(shù)。
作為第三代半導(dǎo)體，氮化鎵和碳化硅的禁帶寬度分別為3.39電子伏特和3.26電子伏特，較高的禁帶寬度非常適合高壓器件應(yīng)用。氮化鎵電子飽和速度高，是硅的2.5倍，是砷化鎵的2倍，非常適合做微波器件，比如手機(jī)內(nèi)的射頻前端放大器、5G基站以及微波雷達(dá)。微波雷達(dá)并不限于應(yīng)用在航天航空和國防領(lǐng)域，將來在新能源汽車自動(dòng)駕駛里也有應(yīng)用潛力，可利用它精確感知障礙物，指導(dǎo)自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整。
此外，氮化鎵還可用做功率開關(guān)器件，開關(guān)速度越快，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)就可以做得更小，功耗也能降低。手機(jī)充電器里就有功率開關(guān)器件，可以把220伏的交流電轉(zhuǎn)化為5伏直流電，然后給手機(jī)充電。“現(xiàn)在受到歡迎的小型快速充電器，就用了氮化鎵功率開關(guān)器件，未來還有望用于無線充電器。”
不過，氮化鎵也有局限，需要在藍(lán)寶石、硅、碳化硅等襯底上異質(zhì)外延生長。由于材料不同，熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)不匹配，會(huì)造成異質(zhì)外延材料缺陷高。這時(shí)候，碳化硅的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了。碳化硅晶體可以在碳化硅襯底上同質(zhì)生長，缺陷密度低，可以充分發(fā)揮碳化硅耐高壓特性，器件耐壓能力很容易達(dá)到1200伏—1700伏。碳化硅功率開關(guān)器件適合高溫、高壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)景，未來將與“基于硅的絕緣柵雙極晶體管”形成市場(chǎng)競(jìng)爭，目前主要應(yīng)用在電動(dòng)車和充電樁。“碳化硅已經(jīng)用于特斯拉電動(dòng)車，將來也適用于電網(wǎng)、機(jī)車牽引以及航天航空領(lǐng)域。”
第三代半導(dǎo)體之前僅小范圍應(yīng)用，為何這兩年會(huì)成為爆發(fā)的節(jié)點(diǎn)?“其實(shí)我國的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)能力并不弱，比如，華為就自主研發(fā)了7納米麒麟芯片。我國的集成電路行業(yè)‘短板’主要集中在原材料、設(shè)計(jì)軟件和制造設(shè)備上，所以才導(dǎo)致小尺寸硅集成電路加工受制于人。而第三代半導(dǎo)體，器件完全可以采用現(xiàn)有的大尺寸器件加工平臺(tái)完成，例如，功率開關(guān)器件，只需0.35微米—0.5微米加工工藝，制造線稍加改造調(diào)整即可。第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用大爆發(fā)，也可以看作是‘彎道超車’，希望我們國家在這方面贏得時(shí)機(jī)，跑在前面。”專家稱。據(jù)介紹，中車集團(tuán)和上海積塔半導(dǎo)體都在建設(shè)6英寸碳化硅生產(chǎn)線。
第三代半導(dǎo)體之后，什么材料會(huì)再領(lǐng)風(fēng)騷?“絕緣體的禁帶寬度很大，很難通過摻雜使其導(dǎo)電。但近年來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，有些絕緣體也可以當(dāng)作半導(dǎo)體使用，因此被認(rèn)為是第3.5代半導(dǎo)體。”
比如，金剛石和氮化鋁，它們的禁帶寬度分別為5.45電子伏特和6.2電子伏特，非常適合于高溫、高輻射等極端環(huán)境下的功率開關(guān)器件應(yīng)用。“不過，要想合成單晶、大尺寸的金剛石還非常困難，道路還很長。”專家說。
