第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢（簡報）

2024-03-27 09:46:24 lh 1506

題記：本報告為第三代半導(dǎo)體技術(shù)趨勢簡報，主要從本領(lǐng)域的技術(shù)角度出發(fā)，觀察技術(shù)的熱點(diǎn)和趨勢，以及在第三代半導(dǎo)體器件中發(fā)揮的作用。特別是以GaN和SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料，其大的禁帶寬度、高擊穿場強(qiáng)和高電子飽和漂移速率等優(yōu)良材料特性，可以滿足現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)對高功率密度、高頻、高效性能的持續(xù)需求，在國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中有著豐富的應(yīng)用場景。

一、第三代半導(dǎo)體發(fā)展歷程

1.第三代半導(dǎo)體介紹及歷程

第一代半導(dǎo)體材料發(fā)明并使用于20世紀(jì)50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，硅基器件很好的解決了電能的轉(zhuǎn)換和控制，主要應(yīng)用于制作集成電路的晶圓片和功率器件，第一代半導(dǎo)體材料引發(fā)了以集成電路為核心的微電子領(lǐng)域的飛速發(fā)展。第二代半導(dǎo)體材料發(fā)明并使用于20世紀(jì)80年代，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主要代表。與第一代半導(dǎo)體相比，砷化鎵具有高頻、耐輻射、耐高溫等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于主流商用無線通信、光通信，以及國防軍事等領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體材料是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（禁帶寬度Eg>2.3eV）的半導(dǎo)體材料，其中又以SiC和GaN為最核心的材料。與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度。更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和率和更高的耐輻射性，更適合制作耐高溫、高頻、大功率和耐輻射器件，并可廣泛應(yīng)用于高壓、高頻、高溫和高可靠性領(lǐng)域，包括射頻通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。

快速退火爐

圖1 第三代半導(dǎo)體特性

2.第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

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在第三代半導(dǎo)體材料中，GaN材料發(fā)展較早。在光電器件領(lǐng)域中，2007年GaN半導(dǎo)體固態(tài)照明逐步開始商業(yè)化，并在2018年前后行業(yè)最后洗牌，完成產(chǎn)業(yè)優(yōu)化定型。近年來在光電領(lǐng)域比較突出的發(fā)展方向?yàn)?/span>Micro LED微顯示以及藍(lán)綠激光器，預(yù)估2024年穿戴設(shè)備將在開始量產(chǎn)后成為推動Micro LED芯片產(chǎn)值增長的另一個引擎，在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，藍(lán)綠半導(dǎo)體激光器將會逐步打破以日亞為首的技術(shù)壁壘，完成國產(chǎn)化替代技術(shù)方案。

GaN在另外一個分支的方向?yàn)镚aN HEMT器件，主要應(yīng)用于功率器件、電力電子器件、射頻器件等。GaN的優(yōu)勢在于導(dǎo)通電阻僅為碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作頻率明顯更高。

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圖2 GaN技術(shù)發(fā)展歷程

SiC具備耐高壓、耐高溫、高頻率、抗輻射等優(yōu)良電氣特性，突破了硅基半導(dǎo)體材料的物理極限，也是第三代半導(dǎo)體的核心材料之一。碳化硅材料的禁帶寬度大約是硅材料的三倍，而且碳化硅器件的極限工作溫度是硅基器件的二倍以上。基于這些物理特性使得碳化硅材料更好的應(yīng)用于高壓、高溫環(huán)境，同時相對于硅基器件，碳化硅器件尺寸更小、重量更輕、能量損耗更少。

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圖3 不同半導(dǎo)體材料主要參數(shù)對比

從材料的特性可以判斷，電子漂移率越高，電阻率越小；擊穿電場強(qiáng)度越高，越耐高壓；禁帶寬度越大，耐高壓高溫性能越好；熱導(dǎo)率越高，工作上限溫度越高等。

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圖4 SiC技術(shù)發(fā)展歷程

為了縮小差距，在“十五計(jì)劃”、“863計(jì)劃”的支持下，中國科學(xué)院物理所、山東大學(xué)、中國電科46所和中國電科2所等科研單位挑起了技術(shù)追趕的重任。據(jù)郝建民（中國電科46所副總工程師）回憶，他是從1999年開始研發(fā)SiC，“當(dāng)時國內(nèi)實(shí)際上只有3個人（團(tuán)隊(duì)）在做，還沒有產(chǎn)業(yè)概念”。另外兩個團(tuán)隊(duì)包括：蔣民華院士（山東大學(xué)晶體研究所）和陳小龍博士（中科院物理研究所）。中科院物理所大約是在1997年開始部署寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)工作，1999年，由陳小龍負(fù)責(zé)SiC晶體的研究工作。

1984年，蔣民華建立了山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2000年左右，65歲的他提出將SiC晶體作為研究方向，并且親自帶隊(duì)組建攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，啟動碳化硅單晶的生長和襯底加工工作。陳小龍?jiān)嘎叮?dāng)時他們從基礎(chǔ)研究開始，到自行搭建設(shè)備，再到摸清SiC晶體生長規(guī)律，“整整耗時6年”。而郝建民從2002到2014年，他一直在單晶爐的耐高溫測試，歷經(jīng)12年慢慢走出了一條產(chǎn)業(yè)化之路。

SiC襯底是第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC的基石，通過在SiC襯底上生長所需的外延薄膜，然后進(jìn)一步制成芯片和器件，應(yīng)用于5G通信及新能源等領(lǐng)域。

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圖5 SiC外延及器件應(yīng)用

以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體其主要特點(diǎn)為高頻率、高電壓、高功率、耐高溫、抗輻照等。

二、第三代半導(dǎo)體技術(shù)趨勢

筆者從本公眾號的后臺瀏覽及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，來分析第三代半導(dǎo)體技術(shù)趨勢，從相對的大數(shù)據(jù)看，有一定代表性，也反映出當(dāng)下第三代半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢。

1.熱點(diǎn)關(guān)注技術(shù)

熱點(diǎn)技術(shù)：器件失效及可靠性

從關(guān)注度看，所有關(guān)于器件失效及可靠性的推文，瀏覽量都是較高的，最高的單篇瀏覽次數(shù)接近1.2萬人次。可推斷，本領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)首要為器件可靠性提升。

技術(shù)摘要：在第三代半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)或者產(chǎn)業(yè)化過程中，器件的可靠性決定著器件產(chǎn)品的最終生死，也是轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品要解決的核心問題。不管是HEMT器件、激光器器件、深紫外器件都必須直面的問題，而且是業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)。可靠性內(nèi)容包括器件失效、器件熱管理、衰化機(jī)制等等。

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圖6 影響器件可靠性的因素（包括但不限于以上）

2.第三代半導(dǎo)體器件技術(shù)

材料及其器件的技術(shù)關(guān)注優(yōu)先級：

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圖7 第三代半導(dǎo)體器件技術(shù)關(guān)注度優(yōu)先級

再次說明，上圖數(shù)據(jù)來自本公眾號推文后臺閱讀量數(shù)據(jù)，從上圖看出，關(guān)于SiC的設(shè)備制造、外延生長以及相關(guān)器件，閱讀量相對較高。其次是GaN HEMT材料及器件，再次是GaN 基激光器，最后AlGaN紫外領(lǐng)域的文章大家“漠不關(guān)心”，筆者認(rèn)為最近幾年技術(shù)發(fā)展相對皮軟。

同時，在第三代半導(dǎo)體的材料和器件領(lǐng)域，以下關(guān)鍵詞也是大家比較關(guān)注的問題。

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圖8 關(guān)鍵技術(shù)

三．未來展望

依據(jù)半導(dǎo)體的摩爾定律，半導(dǎo)體朝著小型化、高集成度以及低成本發(fā)展，總的方向還是會沿著這條主線進(jìn)行。縱觀近年來半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，可以看到存在明顯的生命周期，每一次周期后都會完成洗牌和資源的再優(yōu)化調(diào)整，更重要的是完成成本的降低，進(jìn)一步貼近人民的生活需求，也在逐步改變?nèi)藗兊纳睿蛑悄堋⒏孢m、更享受、更個性的方式推進(jìn)。

未來已來，最后引用思想政治課里的一句話，讓科技成果為更多人所及所享，讓人民充分享受科技發(fā)展的成果，為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體貢獻(xiàn)更多的科技力量。