碳化硅VS氮化鎵，寬禁帶半導體材料雙雄能否帶中國實現(xiàn)彎道超車？

　　在現(xiàn)實世界中，沒有人可以和“半導體”撇清關(guān)系。雖然這個概念聽上去可能顯得有些冰冷，但是你每天用的電腦，手機以及電視等等，都會用到半導體元件。半導體的重要性自不必說，今天我們來說一下半導體產(chǎn)業(yè)中一個很關(guān)鍵的組成部分，那就是半導體材料。

　　半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要材料。其發(fā)展經(jīng)過了三個主要階段：以硅為代表的第一代半導體材料、以砷化鎵為代表的第二代半導體材料、以碳化硅為代表的第三代半導體材料。第三代半導體材料在眾多方面具有廣闊的應用前景，隨著技術(shù)的進步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮⒌诙雽w材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

　　今天我們主要說的就是第三代寬禁帶半導體材料。

　　第三代半導體材料—寬禁帶半導體材料

　　當前，電子器件的使用條件越來越惡劣，要適應高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。近年來，新發(fā)展起來了第三代半導體材料--寬禁帶半導體材料，該類材料具有熱導率高、電子飽和速度高、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等特點，這就從理論上保證了其較寬的適用范圍。目前，由其制作的器件工作溫度可達到600 ℃以上、抗輻照1×106 rad;小柵寬GaN HEMT 器件分別在4 GHz下，功率密度達到40 W/mm;在8 GHz，功率密度達到30 W/mm;在18 GHz，功率密度達到9.1 W/mm;在40 GHz，功率密度達到10.5 W/mm;在80.5 GHz，功率密度達到2.1 W/mm，等。因此，寬禁帶半導體技術(shù)已成為當今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型動力。

　　進入21世紀以來，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導體硅材料替代品的任務變得非常緊迫。在多位選手輪番登場后，有兩位脫穎而出，它們就是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)——并稱為第三代半導體材料的雙雄。

　　碳化硅材料

　　碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應用產(chǎn)業(yè)鏈。

　　SiC器件和電路具有超強的性能和廣闊的應用前景，因此一直受業(yè)界高度重視，基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面。目前，國際上實現(xiàn)碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國的Cree公司、Bandgap公司、Dow Dcorning公司、II-VI公司、Instrinsic 公司;日本的Nippon公司、Sixon公司;芬蘭的Okmetic公司;德國的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市場占有率超過85%。在所有的碳化硅制備廠商中以美國Cree公司最強，其碳化硅單晶材料的技術(shù)水平可代表了國際水平，專家預測在未來的幾年里Cree公司還將在碳化硅襯底市場上獨占鰲頭。美國Cree公司1993年開始有6H碳化硅拋光片商品出售，過去的十幾年里不斷有新品種加入，晶型由6H擴展到4H;電阻率由低阻到半絕緣;尺寸由2寸到6寸，150 mm(6英寸)拋光片已投入市場。

　　氮化鎵材料

　　氮化鎵

　　氮化鎵(GaN、Gallium nitride)是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導體，在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的1/2;其化學性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解;在HCl或H2下高溫中呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2 下最為穩(wěn)定。GaN材料具有良好的電學特性，寬帶隙(3.39eV)、高擊穿電壓(3×106 V/cm)、高電子遷移率(室溫1000 cm2/V·s)、高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013 cm-2)等，因而被認為是研究短波長光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優(yōu)選材料，相對于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作。另外，氮化鎵器件可以在1～110GHz范圍的高頻波段應用，這覆蓋了移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)、點到點和點到多點微波通信、雷達應用等波段。近年來，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領(lǐng)域和微波器件方面的應用前景而受到廣泛的關(guān)注。

　　作為一種具有獨特光電屬性的半導體材料，GaN的應用可以分為兩個部分：憑借GaN半導體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半導體材料;憑借GaN半導體材料寬禁帶、激發(fā)藍光的獨特性質(zhì)開發(fā)新的光電應用產(chǎn)品。目前GaN光電器件和電子器件在光學存儲、激光打印、高亮度LED以及無線基站等應用領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢，其中高亮度LED、藍光激光器和功率晶體管是當前器件制造領(lǐng)域最為感興趣和關(guān)注的。

　　GaN功率器件的制作工藝與GaAs工藝相似度高，甚至很多設(shè)備都是同時支持兩種材料的工藝，因此，很多GaAs器件廠商逐漸增加GaN器件業(yè)務。目前，整個GaN功率半導體產(chǎn)業(yè)處于起步階段，各國政策都在大力推進該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國際半導體大廠也紛紛將目光投向GaN功率半導體領(lǐng)域，關(guān)于GaN器件廠商的收購、合作不斷發(fā)生，650V以下的平面型HEMT器件已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

　　碳化硅與氮化鎵的優(yōu)缺點：