宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

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作者 | 薛定谔的咸鱼

【TechWeb】2020年9月27日,近期,第三代半导体产业将写入“十四五”规划的消息在网络上传播。第三代半导体主要是指氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带半导体,它们通常都具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、高饱和电子速度、高电子密度、可承受大功率等特点。

但是,很多人容易被“第三代”半导体这个名字误导。

赛道不同

第一代、第二代、第三代半导体之间应用场景是有差异的。以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体应用场景十分广泛,从尖端的CPU、GPU、存储芯片,再到各种充电器中的功率器件都可以做。虽然在某些领域的性能方面表现不佳,但还有性价比助其占据市场。第二代半导体以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)为代表,主要应用领域为光电子、微电子、微波功率器件等。第三代半导体以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表,主要应用领域为功率器件、光电子、射频。

第三代半导体和第二代、第一代之间不是迭代关系,它们的应用场景有交叉,但不完全重合。

举个例子来说,硅这类第一代半导体就像一个高年级学生,氮化镓这类第三代半导体就像一个新生。高年级学生主要是练田径运动的,而新生则是练游泳的。

每年学校都会举办运动会,在新生来之前,运动会所有项目(包括游泳)都是由高年级学生参加,虽然高年级学生是练田径的,但是因为身体素质较好也可以参加其它类型的比赛。

现在专业练游泳的新生来了,新生的游泳速度比高年级学生快了不少,但新生田径项目表现很糟糕。所以之后的部分游泳比赛就逐渐的交给新生参加了,而高年级学生也更专注田径比赛。

渐渐地,新生在游泳领域获得了很多奖项,高年级学生如此评价: “好,很有精神!”即使所有游泳比赛都交给新生参加,学校运动会中大多数比赛项目还是田径比赛,游泳比赛只占一小部分。所以在这种情况下高年级学生依旧是你们的老大哥。

第三代半导体有其擅长的领域,在自己的应用领域内性能是可以超过硅、锗等传统半导体材料,但在领域外,还是硅的天下。

什么是半导体?

有些人看到这个问题可能会觉得答案很简单。半导体嘛,就是电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。电阻率高的几乎不导电的就是绝缘体,电阻率低的很容易导电的就是导体。

以上理解并不能算错,但如果想研究半导体材料,以上理解是完全不够的。比如如何看待电阻率很高的金刚石被列为第三代“半导体”材料,以及如何看待“超导金刚石”的相关研究?显然要理解这些问题需要更深层的理论。

能带理论就能很好的解决这些问题。

众所周知,电子是围绕原子核旋转的,如上图所示。其中2p、3s之类的就是电子的轨道。电子在不同轨道上具有不同的能量,这些能量值就是能级了。

在现实中基本不会有一个原子单独存在的情况,大多都是一堆原子聚集在一起。

如果多个原子排在一起的话,那么一个电子就会受到其它原子的影响,这些原子的电子轨道(量子态)就会发生交叠,在这种交叠的情况下电子就可以从一个原子转移到另一个原子上。既然电子可以从一个原子转移到另一个原子上,那么它也可以继续转移到下一个原子上,所以说电子可以通过这种方式在整个晶体中运动,这种运动称为共有化运动。

截取自北京地铁官方网站

举个通俗的例子,我们每个人就像电子,而这些轨道就像地铁的线路一样。这些地铁线路是有交叠的地方,有些交叠的地方被设置为换乘车站,可以从一条线路换成另一条线路。因为换乘线路的存在,我们可以通过换乘的方式到达地铁线路中的任意一个站点。电子的共有化运动也是类似这样。

正因为在其它原子的影响下,能级分裂成了能带。当原子周期性排列形成晶体互相靠近时,每一个能级都分裂为很多彼此相距很近的能级,形成能带。

其中内层电子共有化运动弱,能级分裂小,能带窄;外壳层电子共有化运动显著,能带宽。

在具备能带知识的基础上我们来看这张图,图中:

价带:0K条件下被电子填充的能量最高的能带

导带:0K条件下未被电子填充的能量最低的能带

禁带:导带底与价带顶之间能带

带隙(禁带宽度):导带底与价带顶之间的能量差

从图中我们不难发现半导体和绝缘体之间差异最大的地方在于禁带宽度,而在第三代半导体概念中的宽禁带半导体,其中“宽禁带”指的就是禁带宽度比较宽。

举个例子,比如在跨栏运动中栏架高度大约1米,厚度也很小。所以运动员可以轻松的跨过去。但是如果把栏架换成3米高的砖墙,厚度也增加很多,这样运动员就不太容易跨过去了。

半导体和绝缘体也是这样,半导体的禁带像标准的栏架,电子比较容易跨过,而绝缘体的禁带则是高墙,电子几乎不能跨过。而这里栏架和墙的厚度和高度就相当于禁带宽度。

值得说明的一点是,禁带宽度不是永恒不变的。比如同一种材料在不同温度下的禁带宽度是不一样的。而且可以通过掺杂等方式改变禁带宽度。

前文简单介绍了什么是半导体,那么现在来说什么是半导体的职责。

引用莎士比亚的话来说就是:To be or not to be,that’s a question.翻译成北京话就是:这么着儿,还是那么着儿。具体来说就是一个好的半导体一定要是一个可以选择的状态,比如我给它加电压,它就导通(这么着儿),我不给它加电压,它就应该关闭(那么着儿)。同理如果我给它加电压它导通(这么着儿),我不给它加电压它还这么着儿(导通),那这就是个导体。如果我不给它加电压它关闭,当我给它加电压它还这么着儿(关闭),那它就是个绝缘体。

宽禁带的优势

第三代半导体主要是指宽禁带半导体,那么这个“宽禁带”到底怎样带来性能优势呢?

大家都知道电子的定向移动形成电流,继续之前的举例,电子这位“运动员”只需要跨过栏架或者高墙就完成工作了。但是电子跨过护栏和高墙都需要一些力气,这种时候如果有人能扶他一下就会很省力了。这些帮助者可以是光照或者外加电压,为其提供能量。

前文已经介绍了半导体的职责,那么现在就是如果选择“To be or not to be”的交界线了,在例子中这个交界线就是障碍物的高度和厚度,也就是实际中的禁带宽度。所以针对应用选择一个合适的“禁带宽度”材料就很重要了。

以金刚石为例,金刚石的禁带宽度达5.5eV,远大于Ge(0.67eV)、Si(1.12eV)和GaAs(1.43ev)等常规材料,这不仅保证了金刚石器件能在700-1000度下安全工作,有良好的抗辐射加固能力,而且大大提高了器件的雪崩击穿电压压。

另外禁带宽度也与场效应管的沟道导通电阻有关,禁带宽度越大,相应器件就会具有较低的导通电阻。

金刚石热导率很大,因此用金刚石制作的器件散热性能良好。金刚石的介质击穿场强也很高,大致为V/cm,所以能提高器件的最高工作温度和功率。

同时金刚石的介电常数较低,这可以影响到器件的阻抗,并且有利于提高器件的工作频率。

第三代半导体的应用

LED

第三代半导体以氮化镓、氮化铝、氮化铟这些三族氮化物为例,这些氮化物半导体可以制作蓝光LED、绿光LED,最终可以通过组合的方式实现白光LED。现在不少手机屏幕,显示器的背部光源用的就是LED。

人类用氮化物制造LED的历史其实有很长时间了,中村修二于1993年在日本日亚化学工业株式会社就职期间,基于GaN开发了高亮度蓝色LED。中村修二于2014年与赤崎勇,天野浩因发明“高效蓝色发光二极管”而获得诺贝尔物理学奖。

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出自《我国半导体市场:继续直线上升——我国超高亮度及白光LED产业的现状与发展》

此文章发表于2005年,在那时国外很多公司已经将氮化物用于制作LED,并且实现了商业化。

紫外探测:

紫外探测是第三代半导体的重要应用之一。

比如在高压电线杆上有时候会出现放电的现象,这种现象称之为“电晕”。高电压设备电晕放电会产生紫外线,我们只需要检测这些紫外线就能更好的监测电网设备的运行。同理也可以监测高铁等其它设备上的电晕情况。

再比如紫外探测可以检测导弹的尾焰、森林防火、船只导航等用途。

高功率器件:

用第三代半导体制作的高功率器件具有体积更小、效率更高、性能更强等特点。

比如各大厂商推出的GaN手机充电器。特别是手机开启快充时代后,手机充电器的功率越来越大,如果继续用传统材料制作手机充电器,那么体积就会太大进而不方便携带。而用GaN制作的手机充电器体积就能缩小很多。同理也可以用GaN制作笔记本电脑的电源适配器。

除了手机以外,其它更大的设备也可以使用类似的技术。比如新能源汽车的充电桩。对于电动汽车来说提高充电效率每年就可以省下不少的电力资源。同理也可以用于制作汽车上使用的IGBT。

用第三代半导体制作的器件可以在瞬间输出巨大的能量,因此它也可以被用于制作航空母舰上的电磁弹射器,或者是舰船上的电磁炮。

射频与微波:

在这方面,大家比较熟知的应该就是5G了。使用第三代半导体材料可以建造更加节能且性能更强的5G基站,而且也可以用于制作5G射频芯片。

在军用方面,第三代半导体可以用于制作包括相控阵雷达在内的各种军用雷达。在AUSA2016上,雷声公司展示了第一台全尺寸的“爱国者”下一代雷达的原型机。这种新型雷达采用了AESA体制和氮化镓(GaN)材料制成的芯片。“爱国者”防空系统原有的雷达是无源相控阵体制的AN/MPQ-53/65,其使用的是砷化镓(GaAs)材料制成的芯片。

硅还是老大哥

在前文中提到过第三代半导体和第一代、第二代半导体因为应用场景方面的问题,并不属于同一赛道。

那么现在半导体市场上主流业务是什么呢?是集成电路。而恰巧,在当前技术条件下第三代半导体不适合用于制作数字逻辑电路。第三代半导体的主战场更多的会集中在分立器件上。

根据相关新闻报道,2018年全球半导体市场规模达到4779.4亿美元,而且每年还在快速增长中。根据国外研究机构数据显示,到了2025年第三代半导体市场的规模将达到434亿美元。

但从我国半导体产业发展的角度来说,发展第三代半导体总算暂时不用被先进光刻机卡脖子了。

意法半导体(ST)新材料和电源方案事业部的创新和关键项目战略营销总监Filippo Di Giovanni预测:“随着GaN技术向更小的工艺节点演进,在达到0.15μm栅长时,GaN将挑战GaAs器件在便携式无线应用中的主导地位。”

我国先进的光刻机可能在短期内无法突破,在如果只是光刻0.15μm(150nm)的光刻机还是没有问题的。

对于高频小信号器件来说,它们需要低噪声系数。因此目前在某些情况下GaAs仍具优势。当然现在也有一些类似“数字预失真技术”可以帮助GaN器件在高频场景下达到更好的性能。所以从长期来看,GaN取代部分GaAs的市场地位是大趋势。

对于硅材料来说,其实业界很早就发现了这种材料的不足。比如漏电和散热问题,以及未来可能会触及硅的物理极限。但是整条产业链上并没有多少人愿意做出改变,他们更偏向于使用新技术继续给硅“续命”。

举个例子来说就是,一件破衣服,大家都不太舍得直接换新的,然后就是“新三年,旧三年,缝缝补补又三年。”而且经过这些年的修补,裁缝的手艺越来越好了,暂时还是能继续修下去。

关于硅的“接班人”现在还尚不确定,比如“二维超导材料”亦或是“拓扑绝缘体”都有可能接班。不过相关材料大规模商业也是很多年之后的事了。

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