第三代半导体来势汹汹 前代材料将全面退赛？
集成电路系列报道②
◎本报记者 刘 艳
从半导体材料的三项重要参数看，第三代半导体材料在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上均有着优异的表现。
半导体行业中有“一代材料、一代技术、 一代产业”的说法。
与一些人对“工业王冠上的钻石”生产制造上的断言相似，在芯片制造中，材料若缺席，技术充其量就是一纸PPT，无法落地为产品。
随着以碳化硅、氮化镓等宽禁带化合物为代表的第三代半导体应用技术的进步，5G、毫米波通讯、新能源汽车、光伏发电、航空航天等战略新兴产业的关键核心器件的性能将获得质的提升。
以氮化镓材料切入电源管理应用为标志，第三代半导体的“超级风口”已呼啸而至。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》已将推动“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”写入了“科技前沿领域攻关”部分。
化合物半导体制造产业迎来新风貌
当第一代、第二代半导体材料工艺逐渐接近物理极限，有望突破传统半导体技术瓶颈的第三代半导体材料成为行业发展的宠儿。
事实上，国内之所以将半导体材料以“代”来划分，多少缘自于随着半导体材料的大规模应用而来的三次产业革命。
第一代半导体材料以硅(Si)为代表，其取代了笨重的电子管，推动了以集成电路为核心的微电子产业的迅猛发展。
第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等为主，磷化铟半导体激光器是光通信系统的关键器件，砷化镓高速器件更开拓了光纤及移动通信新产业。
而以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料则有效推动着半导体照明、显示、电力汽车等产业的发展。
从半导体材料的三项重要参数看，第三代半导体材料在电子迁移率(低压条件下的高频工作性能)、饱和漂移速率(高压条件下的高频工作性能)、禁带宽度(器件的耐压性能、最高工作温度与光学性能)三项指标上均强于硅材料器件。
其中，最引人注目的是第三代半导体的“宽禁带(Wide Band-Gap，WBG)”。高禁带宽度的好处是，器件耐高压、耐高温，并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。
但参数的优异并不意味着半导体材料一代更比一代好。事实上，一、二、三代半导体材料各有其适合的应用范畴，在未来很长的时间中，这三代半导体材料还将共存。
虽然硅材料没有那么牛的参数，但在可靠性和整体性能上，目前还没有任何半导体材料可以和它抗衡。作为半导体行业人士心中的“终极半导体”，金刚石甚至连实验室都还没走出。
但同时我们可以看到，随着氮化镓材料切入电源管理，化合物半导体制造产业的风貌迎来改变。
化合物半导体泛指各种不以硅为基础的半导体材料，通常可分成三五族半导体与二六族半导体。
三五族半导体由三族的元素铝、镓、铟及五族的元素氮、磷、砷、锑等组成。二六族半导体则是由二族的元素锌、镉、汞和六族元素硫、硒、碲形成的化合物。
所有电子设备都需要电源管理，当氮化镓敲开电源管理这个庞大市场的大门，化合物半导体也开始展现出不容小觑的商业潜力。
第三代半导体尚待产品导入
由于制备工艺成熟、自然界储备量大且应用广泛，硅材料器件有着难以逾越的价格优势。
然而，当特斯拉为了行驶里程仅5%的提升，不惜以成本高几倍的代价率先全面采用碳化硅时，这种新材料在新能源汽车及配套领域的应用潜力就得到了验证，为将节能视为首要需求的行业树立了一块样板。
虽然成本高昂、生产工艺不成熟等问题还待解决，但第三代半导体的应用之门已经拉开了一条缝。
阿里巴巴达摩院发布的2021十大科技趋势将“第三代半导体迎来应用大爆发”列在首位。
达摩院认为，未来五年，第三代半导体材料将在材料生长、器件制备等技术上实现突破，基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景，大幅降低整体能耗。
可以预见的是，随着5G、新能源汽车等市场对第三代半导体的需求扩大，以及制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断获得突破，第三代半导体的性价比也将得到提升。
