日前，阿里巴巴達摩院預測了2021年科技趨勢，其中位列第一的是以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導體將迎來應用大爆發。第三代半導體與前兩代有什么不同？為何這兩年會成為爆發的節點？第三代半導體之后，什么材料會再領風騷？記者采訪了專家。
禁帶寬度，是用來區分不同代際半導體的關鍵參數。
作為第三代半導體，氮化鎵和碳化硅的禁帶寬度分別為3.39電子伏特和3.26電子伏特，較高的禁帶寬度非常適合高壓器件應用。氮化鎵電子飽和速度高，是硅的2.5倍，是砷化鎵的2倍，非常適合做微波器件，比如手機內的射頻前端放大器、5G基站以及微波雷達。微波雷達并不限于應用在航天航空和國防領域，將來在新能源汽車自動駕駛里也有應用潛力，可利用它精確感知障礙物，指導自動駕駛數據及時調整。
此外，氮化鎵還可用做功率開關器件，開關速度越快，電源轉換系統就可以做得更小，功耗也能降低。手機充電器里就有功率開關器件，可以把220伏的交流電轉化為5伏直流電，然后給手機充電。“現在受到歡迎的小型快速充電器，就用了氮化鎵功率開關器件，未來還有望用于無線充電器。”
不過，氮化鎵也有局限，需要在藍寶石、硅、碳化硅等襯底上異質外延生長。由于材料不同，熱膨脹系數和晶格常數不匹配，會造成異質外延材料缺陷高。這時候，碳化硅的優勢就顯現出來了。碳化硅晶體可以在碳化硅襯底上同質生長，缺陷密度低，可以充分發揮碳化硅耐高壓特性，器件耐壓能力很容易達到1200伏—1700伏。碳化硅功率開關器件適合高溫、高壓、大功率應用場景，未來將與“基于硅的絕緣柵雙極晶體管”形成市場競爭，目前主要應用在電動車和充電樁。“碳化硅已經用于特斯拉電動車，將來也適用于電網、機車牽引以及航天航空領域。”
第三代半導體之前僅小范圍應用，為何這兩年會成為爆發的節點？“其實我國的半導體設計能力并不弱，比如，華為就自主研發了7納米麒麟芯片。我國的集成電路行業‘短板’主要集中在原材料、設計軟件和制造設備上，所以才導致小尺寸硅集成電路加工受制于人。而第三代半導體，器件完全可以采用現有的大尺寸器件加工平臺完成，例如，功率開關器件，只需0.35微米—0.5微米加工工藝，制造線稍加改造調整即可。第三代半導體的應用大爆發，也可以看作是‘彎道超車’，希望我們國家在這方面贏得時機，跑在前面。”專家稱。據介紹，中車集團和上海積塔半導體都在建設6英寸碳化硅生產線。
第三代半導體之后，什么材料會再領風騷？“絕緣體的禁帶寬度很大，很難通過摻雜使其導電。但近年來隨著技術的不斷發展，有些絕緣體也可以當作半導體使用，因此被認為是第3.5代半導體。”
比如，金剛石和氮化鋁，它們的禁帶寬度分別為5.45電子伏特和6.2電子伏特，非常適合于高溫、高輻射等極端環境下的功率開關器件應用。“不過，要想合成單晶、大尺寸的金剛石還非常困難，道路還很長。”專家說。
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