第三代半导体将迎来大爆发？特斯拉电动车里有它，快速充电器里也有它

禹娃

日前，阿里巴巴达摩院预测了 2021 年科技趋势。其中位列第一的是：以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体将迎来应用大爆发。
第三代半导体与前两代有什么不同？为何这两年会成为爆发的节点？第三代半导体之后，什么材料会再领风骚？专家接受了记者采访。
【什么是区分 " 第几代 " 半导体的关键词】
禁带宽度，是用来区分不同代际半导体的关键参数。所谓 " 禁带 " 宽度，是从导带底到价带顶之间的能量差值，单位是电子伏特。导体的导带和价带是交叠的，不存在 " 禁带 "。半导体的导带底和价带顶能量错开，存在带隙，就像从 1 楼到 2 楼，有个高度差。禁带宽度的大小决定了材料是具有导体、半导体还是绝缘体性质。
第一代半导体以硅为代表，其禁带宽度为 1.12 电子伏特。沙子和岩石的主要成分就是硅，硅在地壳中的含量位居第二，仅次于氧。硅晶体和器件加工工艺非常成熟，硅半导体集成电路和分立器件应用也很广泛，电脑、手机、冰箱等家电的集成电路都要用到硅材料，汽车、飞机、航天等领域更是离不开硅材料及器件。
第二代半导体以砷化镓为代表，其禁带宽度为 1.42 电子伏特，比硅更宽。由于第二代半导体电子迁移率更高，电流密度更高，更适合做微波器件应用，被广泛使用在手机、基站和雷达系统的功率放大器中。
【第三代半导体有哪些适用场景】
作为第三代半导体，氮化镓和碳化硅的禁带宽度分别为 3.39 电子伏特和 3.26 电子伏特，较高的禁带宽度非常适合高压器件应用。氮化镓电子饱和速度高，是硅的 2.5 倍，是砷化镓的 2 倍，非常适合做微波器件，比如手机内的射频前端放大器、5G 基站以及微波雷达。微波雷达并不限于应用在航天航空和国防领域，将来在新能源汽车自动驾驶里也有应用潜力，可利用它精确感知障碍物，指导自动驾驶数据及时调整。
此外，氮化镓还可用做功率开关器件，开关速度越快，电源转换系统就可以做得更小，功耗也能降低。手机充电器里就有功率开关器件，可以把 220 伏的交流电转化为 5 伏直流电，然后给手机充电。"现在受到欢迎的小型快速充电器，就用了氮化镓功率开关器件，未来还有望用于无线充电器。"
不过，氮化镓也有其局限，需要在蓝宝石、硅、碳化硅等衬底上异质外延生长。由于材料不同，热膨胀系数和晶格常数不匹配，会造成异质外延材料缺陷高。目前，氮化镓微波器件是基于碳化硅衬底再外延氮化镓技术的，击穿电压一般在 600 伏左右。
这时候，碳化硅的优势就显现出来了。碳化硅晶体可以在碳化硅衬底上同质生长，缺陷密度低，可以充分发挥碳化硅耐高压特性，器件耐压能力很容易达到 1200 伏 -1700 伏。碳化硅功率开关器件适合高温、高压、大功率应用场景，未来将与 " 基于硅的绝缘栅双极晶体管 " 形成市场竞争，目前主要应用在电动车和充电桩。" 碳化硅已经用于特斯拉电动车，将来也适用于电网、机车牵引以及航天航空领域。"
第三代半导体之前限于小范围应用，为何这两年会成为爆发的节点？"其实我国的半导体设计能力并不弱，比如，华为就自主研发了 7 纳米麒麟芯片。我国的集成电路行业‘短板’主要集中在原材料、设计软件和制造设备上，所以才导致小尺寸硅集成电路加工受制于人。而第三代半导体，器件完全可以采用现有的大尺寸器件加工平台完成，例如，功率开关器件，只需 0.35 微米 -0.5 微米加工工艺，制造线稍加改造调整即可。第三代半导体的应用大爆发，也可以看作是‘弯道超车’，希望我们国家在这方面赢得时机，跑在前面。" 据介绍，中车集团和国家电网都在建设 6 英寸碳化硅生产线。
【第 3.5 代半导体是什么】
第三代半导体之后，什么材料会再领风骚？" 绝缘体的禁带宽度很大，很难通过掺杂使其导电。但近年来随着技术的不断发展，有些绝缘体也可以当作半导体使用，因此被认为是第 3.5 代半导体。"
比如，金刚石和氮化铝，它们的禁带宽度分别为 5.45 电子伏特和 6.2 电子伏特，非常适合于高温、高辐射等极端环境下的功率开关器件应用。" 不过，要想合成单晶、大尺寸的金刚石还非常困难，道路还很长。"
栏目主编：黄海华 本文作者：黄海华 文字编辑：黄海华 题图来源：上观图编 摄 图片编辑：邵竞