第三代半導體技術發展趨勢（簡報）

2024-03-27 09:46:24 lh 1560

題記：本報告為第三代半導體技術趨勢簡報，主要從本領域的技術角度出發，觀察技術的熱點和趨勢，以及在第三代半導體器件中發揮的作用。特別是以GaN和SiC為代表的第三代半導體材料，其大的禁帶寬度、高擊穿場強和高電子飽和漂移速率等優良材料特性，可以滿足現代電力電子系統對高功率密度、高頻、高效性能的持續需求，在國民經濟和人民生活中有著豐富的應用場景。

一、第三代半導體發展歷程

1.第三代半導體介紹及歷程

第一代半導體材料發明并使用于20世紀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換和控制，主要應用于制作集成電路的晶圓片和功率器件，第一代半導體材料引發了以集成電路為核心的微電子領域的飛速發展。第二代半導體材料發明并使用于20世紀80年代，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主要代表。與第一代半導體相比，砷化鎵具有高頻、耐輻射、耐高溫等特點，因此被廣泛應用于主流商用無線通信、光通信，以及國防軍事等領域。第三代半導體材料是以碳化硅（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體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度。更高的擊穿電場、更高的熱導率、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，并可廣泛應用于高壓、高頻、高溫和高可靠性領域，包括射頻通信、雷達、衛星、電源管理、汽車電子、工業電力電子等。

快速退火爐

圖1 第三代半導體特性

2.第三代半導體產業發展趨勢

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在第三代半導體材料中，GaN材料發展較早。在光電器件領域中，2007年GaN半導體固態照明逐步開始商業化，并在2018年前后行業最后洗牌，完成產業優化定型。近年來在光電領域比較突出的發展方向為Micro LED微顯示以及藍綠激光器，預估2024年穿戴設備將在開始量產后成為推動Micro LED芯片產值增長的另一個引擎，在半導體激光器領域，藍綠半導體激光器將會逐步打破以日亞為首的技術壁壘，完成國產化替代技術方案。

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

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圖2 GaN技術發展歷程

SiC具備耐高壓、耐高溫、高頻率、抗輻射等優良電氣特性，突破了硅基半導體材料的物理極限，也是第三代半導體的核心材料之一。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用于高壓、高溫環境，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 不同半導體材料主要參數對比

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

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圖4 SiC技術發展歷程

為了縮小差距，在“十五計劃”、“863計劃”的支持下，中國科學院物理所、山東大學、中國電科46所和中國電科2所等科研單位挑起了技術追趕的重任。據郝建民（中國電科46所副總工程師）回憶，他是從1999年開始研發SiC，“當時國內實際上只有3個人（團隊）在做，還沒有產業概念”。另外兩個團隊包括：蔣民華院士（山東大學晶體研究所）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體研發工作，1999年，由陳小龍負責SiC晶體的研究工作。

1984年，蔣民華建立了山東大學晶體材料國家重點實驗室，2000年左右，65歲的他提出將SiC晶體作為研究方向，并且親自帶隊組建攻關團隊，啟動碳化硅單晶的生長和襯底加工工作。陳小龍曾透露，當時他們從基礎研究開始，到自行搭建設備，再到摸清SiC晶體生長規律，“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12年慢慢走出了一條產業化之路。

SiC襯底是第三代半導體材料GaN和SiC的基石，通過在SiC襯底上生長所需的外延薄膜，然后進一步制成芯片和器件，應用于5G通信及新能源等領域。

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圖5 SiC外延及器件應用

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

二、第三代半導體技術趨勢

筆者從本公眾號的后臺瀏覽及轉發數據，來分析第三代半導體技術趨勢，從相對的大數據看，有一定代表性，也反映出當下第三代半導體的發展趨勢。

1.熱點關注技術

熱點技術：器件失效及可靠性

從關注度看，所有關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接近1.2萬人次。可推斷，本領域的技術熱點首要為器件可靠性提升。

技術摘要：在第三代半導體技術研發或者產業化過程中，器件的可靠性決定著器件產品的最終生死，也是轉化為產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，而且是業內的難點。可靠性內容包括器件失效、器件熱管理、衰化機制等等。

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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.第三代半導體器件技術

材料及其器件的技術關注優先級：

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圖7 第三代半導體器件技術關注度優先級

再次說明，上圖數據來自本公眾號推文后臺閱讀量數據，從上圖看出，關于SiC的設備制造、外延生長以及相關器件，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紫外領域的文章大家“漠不關心”，筆者認為最近幾年技術發展相對皮軟。

同時，在第三代半導體的材料和器件領域，以下關鍵詞也是大家比較關注的問題。

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圖8 關鍵技術

三．未來展望

依據半導體的摩爾定律，半導體朝著小型化、高集成度以及低成本發展，總的方向還是會沿著這條主線進行。縱觀近年來半導體技術的發展，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化調整，更重要的是完成成本的降低，進一步貼近人民的生活需求，也在逐步改變人們的生活，向著更智能、更舒適、更享受、更個性的方式推進。

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展的成果，為構建人類命運共同體貢獻更多的科技力量。