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：以氮化鎵和碳化矽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麼不同？為何這兩年會成為爆發的節點？第三代半導體之後，什麼材料會再領風騷？專家接受了記者採訪。
【什麼是區分「第幾代」半導體的關鍵詞】
禁帶寬度，是用來區分不同代際半導體的關鍵參數。所謂「禁帶」寬度，是從導帶底到價帶頂之間的能量差值，單位是電子伏特。導體的導帶和價帶是交疊的，不存在「禁帶」。半導體的導帶底和價帶頂能量錯開，存在帶隙，就像從1樓到2樓，有個高度差。禁帶寬度的大小決定了材料是具有導體、半導體還是絕緣體性質。
第一代半導體以矽為代表，其禁帶寬度為1.12電子伏特。沙子和巖石的主要成分就是矽，矽在地殼中的含量位居第二，僅次於氧。矽晶體和器件加工工藝非常成熟，矽半導體集成電路和分立器件應用也很廣泛，電腦、手機、冰箱等家電的集成電路都要用到矽材料，汽車、飛機、航天等領域更是離不開矽材料及器件。
第二代半導體以砷化鎵為代表，其禁帶寬度為1.42電子伏特，比矽更寬。由於第二代半導體電子遷移率更高，電流密度更高，更適合做微波器件應用，被廣泛使用在手機、基站和雷達系統的功率放大器中。
【第三代半導體有哪些適用場景】
作為第三代半導體，氮化鎵和碳化矽的禁帶寬度分別為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，是矽的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。微波雷達並不限於應用在航天航空和國防領域，將來在新能源汽車自動駕駛裡也有應用潛力，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。手機充電器裡就有功率開關器件，可以把220伏的交流電轉化為5伏直流電，然後給手機充電。「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，未來還有望用於無線充電器。」
不過，氮化鎵也有其局限，需要在藍寶石、矽、碳化矽等襯底上異質外延生長。由於材料不同，熱膨脹係數和晶格常數不匹配，會造成異質外延材料缺陷高。目前，氮化鎵微波器件是基於碳化矽襯底再外延氮化鎵技術的，擊穿電壓一般在600伏左右。
這時候，碳化矽的優勢就顯現出來了。碳化矽晶體可以在碳化矽襯底上同質生長，缺陷密度低，可以充分發揮碳化矽耐高壓特性，器件耐壓能力很容易達到1200伏-1700伏。碳化矽功率開關器件適合高溫、高壓、大功率應用場景，未來將與「基於矽的絕緣柵雙極電晶體」形成市場競爭，目前主要應用在電動車和充電樁。「碳化矽已經用於特斯拉電動車，將來也適用於電網、機車牽引以及航天航空領域。」
第三代半導體之前限於小範圍應用，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並不弱，比如，華為就自主研發了7納米麒麟晶片。我國的集成電路行業『短板』主要集中在原材料、設計軟體和製造設備上，所以才導致小尺寸矽集成電路加工受制於人。而第三代半導體，器件完全可以採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，製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。」據介紹，中車集團和國家電網都在建設6英寸碳化矽生產線。
【第3.5代半導體是什麼】
第三代半導體之後，什麼材料會再領風騷？「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，非常適合於高溫、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。」