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半導體材料發(fā)展至今已經(jīng)歷三個階段。常見的半導體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導體及砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半導體材料，從被研究和規(guī)模化應(yīng)用的時間先后順序來看，上述半導體材料被業(yè)內(nèi)通俗地劃分為三代。第一代半導體材料從 20 世紀 50 年代開始大規(guī)模應(yīng)用，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表。該類材料產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟，技術(shù)儲備完善且制作成本較低，目前主要應(yīng)用于大規(guī)模集成電路中，主要產(chǎn)品包括低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器。硅基半導體材料是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導體材料，90%以上的半導體產(chǎn)品是用硅基材料制作。 第二代半導體材料從 20 世紀 90 年代開始大規(guī)模應(yīng)用，以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表。隨著半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅材料的物理瓶頸日益顯現(xiàn)，其物理性質(zhì)限制了在光電子和高頻高功率器件上的應(yīng)用。第二代半導體材料在物理結(jié)構(gòu)上具備直接帶隙的特點，相對于硅基材料具有光電性能佳、工作頻率高，抗高溫、抗輻射等優(yōu)勢，適用于制作高速高頻、大功率及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛運用于移動通訊、衛(wèi)星通訊、光通訊和 GPS 導航等領(lǐng)域。第三代半導體是以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的化合物半導體，該類半導體材料禁帶寬度大于或等于 2.3eV，因此也被稱為寬禁帶半導體材料。第三代半導體在禁帶寬度、擊穿電場、熱導率、電子飽和速率、抗輻射能力等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求。因此，第三代半導體主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風電、5G 通信等。 SiC 材料介紹。SiC，是一種無機物，化學式為 SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色 SiC 時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。SiC 在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。在 C、N、B 等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，SiC 為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 SiC 有望成為半導體材料領(lǐng)域最具前景的材料之一。與硅器件相比，以SiC 為襯底制成的功率器件具有耐高壓、耐高溫和低能量損耗等電氣性能，是最具發(fā)展前景的半導體材料之一。SiC 優(yōu)越的電氣特性包括如下方面： 1 耐高壓。由于 SiC 的擊穿電場強度是硅的 10 余倍，使用SiC 制備器件能夠進一步提升耐壓容量、工作頻率以及電流密度，同時大幅降低器件的導通損耗。2 耐高溫。隨著禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高，由于SiC 的禁帶接近硅的3 倍，SiC 的極限工作溫度較硅將有明顯的提升，可以達到600℃以上。同時，SiC的熱導率比硅更高，有助于降低對散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。3 低能量損耗。SiC 具有 2 倍于硅的飽和電子漂移速率，相較于硅材料具有極低的導通電阻，導通損耗低；同時，SiC 具有接近 3 倍于硅的禁帶寬度，泄漏電流比硅器件大幅減少，能夠進一步降低功率損耗；此外，SiC 器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，大幅提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率。 |
