初原載于?工大材料匯????2019-12-12

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灰色空間的佼佼者

導(dǎo)語

半導(dǎo)體，從被發(fā)現(xiàn)以來一直都是人們熱議的話題和關(guān)注的焦點。它指的是常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，如果把導(dǎo)體和絕緣體比作黑白兩個極端，那么半導(dǎo)體就是徘徊于兩者之間的“灰色空間”。近幾年，隨著第三代半導(dǎo)體的崛起，關(guān)于半導(dǎo)體的討論熱度再一次被推上了高峰，它著實成為了一個大熱詞匯。

????第三代半導(dǎo)體與第一代和第二代有著明顯的區(qū)別。下面，我們來依次了解一下。

第一代半導(dǎo)體

第一代半導(dǎo)體以硅（Si）和鍺（Ge）元素為主，在國際信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的各類分立器件和應(yīng)用極為普遍的集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用。在日常生活中，我們接觸得最多的是硅芯片。它是現(xiàn)代社會信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，隨著電腦、智能手機等各種電子設(shè)備的普及，幾乎人人都要依賴以硅芯片為基礎(chǔ)進行信息處理的設(shè)備來開展學(xué)習(xí)和工作活動。然而，隨著科技的不斷發(fā)展，硅芯片已經(jīng)逐漸滿足不了我們對于信息處理的要求。人們需要更快的速度和更少的延遲，但是硅的性能正在越來越多的領(lǐng)域達到極限。

第二代半導(dǎo)體

第二代半導(dǎo)體主要以化合物為主，例如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb），等等。這些材料主要應(yīng)用在制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件上，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。此外，由于信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，第二代半導(dǎo)體材料還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。

第三代半導(dǎo)體

?第三代半導(dǎo)體主要包含以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。與第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，因而更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

在傳統(tǒng)硅芯片性能接近極限、半導(dǎo)體功耗發(fā)熱問題日漸嚴重的情況下，科學(xué)家們正在努力制造性能更加良好、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料。在各團隊不懈的努力下，氮化鎵（GaN）橫空出世，成為了迄今為止最優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料之一。那么它為什么會如此的優(yōu)秀呢？下面讓我們揭開GaN的“廬山真面目”。

揭秘GaN

GaN早在1928年就被人發(fā)現(xiàn)，在2000年左右,人們就開始射頻GaN技術(shù)的研究工作了。GaN結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦（一種鋅的硫化礦物，呈淺黃、褐或黑色，很多與纖鋅礦等結(jié)構(gòu)的物質(zhì)都是半導(dǎo)體）

具有很大的硬度。它是第三代半導(dǎo)體材料中炙手可熱的一員，擁有眾多其他半導(dǎo)體材料不具有的性能優(yōu)勢。氮化鎵主要具有以下幾個突出優(yōu)點：

1.GaN用作整流管能降低開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗,提升開關(guān)頻率,附帶地降低廢熱的產(chǎn)生。這些特性讓氮化鎵應(yīng)用在電源上有很好的發(fā)揮,降低元器件的體積同時能提高效率。

2.使用GaN代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，一種廣泛使用的半導(dǎo)體器件）后,電源的驅(qū)動損耗、開關(guān)損耗會更小,死區(qū)也縮小(縮短優(yōu)化開關(guān)轉(zhuǎn)換時的死區(qū)時間)。

3.GaN具有更高的電子遷移率，使得半導(dǎo)體元件的反向恢復(fù)時間大幅縮短,也就是說幾乎不存在反向損耗，效率更高。

????目前以GaN為材料制造的光電器件和電子器件在光學(xué)存儲、激光打印、高亮度LED以及無線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢,其中高亮度LED、藍光激光器和功率晶體管是當前器件制造領(lǐng)域最為感興趣和關(guān)注的。在最開始的研究階段，GaN主要應(yīng)用于軍事、航天、科研等領(lǐng)域，主要為國家的尖端事業(yè)作出貢獻。近幾年，隨著第三代半導(dǎo)體熱度的猛烈躥升，以及研究進度的不斷推進，GaN器件已經(jīng)逐漸走入了大眾消費領(lǐng)域，逐漸走向平民化，以氮化鎵材料的充電器、電源已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)。

GaN的優(yōu)勢

曾幾何時，第三代半導(dǎo)體材料還是碳化硅（SiC）和GaN的二人轉(zhuǎn)，但是隨著時間的推移，GaN逐漸成為了受寵的那個。與SiC相比，GaN主要有兩個明顯優(yōu)勢：

1.成本控制。目前主流半導(dǎo)體廠商都在致力于以Si為襯底（具有特定晶面和適當電學(xué)，光學(xué)和機械特性的用于生長外延層的潔凈單晶薄片）的GaN器件，以之來代替價格昂貴的SiC襯底。有專家預(yù)測，2020年以后，GaN器件的成本將會與傳統(tǒng)的Si器件相當。

2.GaN是平面器件，現(xiàn)有的Si器件也是平面的，這體現(xiàn)了GaN強大的工藝兼容性，廠商不用再花費心思研究全新的加工方法，GaN也更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。

現(xiàn)在，很多小伙伴都已經(jīng)用上了5G網(wǎng)絡(luò)，享受它驚人的速度和近乎沒有的延遲。在5G時代,氮化鎵更能發(fā)揮出巨大作用,成為半導(dǎo)體大街上最靚的仔。這種材料非常適合提供毫米波領(lǐng)域所需的高頻率和寬帶寬,加上低內(nèi)阻低發(fā)熱量、適合在高溫環(huán)境下工作的特點,GaN材料將應(yīng)用于各種被動散熱的戶外電子設(shè)備以及汽車上。有了5G網(wǎng)絡(luò)的軟件加持，再加上GaN材料的硬件加持，未來人類的信息、網(wǎng)絡(luò)體驗勢必能達到一個全新的境界。

結(jié)語

GaN的研究工作最早于美國起步，之后日本、歐洲也開始著手于這方面的工作。最近幾年，我國正在大力發(fā)展以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料，致力于改變國家在這一塊關(guān)鍵技術(shù)的落后局面。到目前為止國內(nèi)已有四條4/6英寸SiC生產(chǎn)/中試線和三條GaN生產(chǎn)/中試線陸續(xù)投入生產(chǎn)，并且正在開發(fā)多個第三代半導(dǎo)體研發(fā)平臺。相信在不遠的將來，我國可以實現(xiàn)彎道超車，一舉扭轉(zhuǎn)半導(dǎo)體材料發(fā)展的被動局勢。

本期問題：

1.氮化鎵目前還存在哪些發(fā)展難題？

答案：成本高；難以獲得高質(zhì)量、大尺寸的 GaN 籽晶；氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成等

2.通過半導(dǎo)體材料的發(fā)展這個角度，你怎樣理解科技發(fā)展與綜合國力的關(guān)系？

精選留言1：

?

最初半導(dǎo)體材料多運用于軍用領(lǐng)域。綜合國力越強，則越有能力投入于研發(fā)領(lǐng)域，而研發(fā)的成果推動了科技發(fā)展?？萍嫉陌l(fā)展最終會提升綜合國力。

?---------Вперед, товарищи

參考文獻：

1、納米防水網(wǎng)--國外超疏水材料技術(shù)發(fā)展及軍事應(yīng)用前景

2、知網(wǎng)--具有納米微觀特征的防水涂料及其制備方法

3、希森美克--淺談希森美克疏水疏油及超親水納米涂層自潔原理！

本文作者：張驁

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