第三代半导体材料之氮化镓（GaN）解析

2020-08-03 11:52

半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，其中半导体材料市场的60％都是芯片制造材料，以硅晶圆和光掩膜为主，此外还有湿化学试剂、溅射靶等。但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长。

一开始，日本是世界最大的半导体材料市场，随后中国台湾、韩国等地区也逐渐开始崛起，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。

第三代半导体材料崛起

如今，半导体材料已经发展到第三代，逐代来看：第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体材料为代表。其典型应用是集成电路，主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中，在未来一段时间，硅半导体材料的主导地位仍将存在。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用，如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率。且其带隙宽度较窄（1．12 eV）饱和电子迁移率较低（1450 cm2／V·s），不利于研制高频和高功率电子器件。

第二代半导体材料以砷化镓和磷化铟（InP）为代表。砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍，具有直接带隙，故其器件相对硅器件具有高频、高速的光电性能，公认为是很合适的通信用半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。然而，其禁带宽度范围仅涵盖了1．35 eV（InP）～2．45 eV（AlP），只能覆盖波长506～918 nm的红光和更长波长的光，而无法满足中短波长光电器件的需要。由于第二代半导体材料的禁带宽度不够大，击穿电场较低，极大的限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外由于GaAs材料的毒性可能引起环境污染问题，对人类健康存在潜在的威胁。

第三代半导体材料是指Ⅲ族氮化物（如氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）等）、碳化硅、氧化物半导体（如氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga2O3）、钙钛矿（CaTiO3）等）和金刚石等宽禁带半导体材料。与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下更为可靠，此外还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

对比于第一代硅（Si）、锗（Ge）半导体，第二代、第三代半导体的主要优势在于：

1）禁带宽度较大，所制造的器件可耐受较大功率，且工作温度更高；

2）电子迁移率高，适合高频、高速器件；

3）光电转换效率高，适合制作光电器件。

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