电子展|第三代半导体材料：碳化硅与氮化镓全解析

在当今科技飞速发展的时代，半导体材料作为现代电子技术的核心基石，正经历着不断的革新与演进。其中，第三代半导体材料以其独特的性能优势，逐渐成为全球科技领域瞩目的焦点。而碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的典型代表，更是凭借其卓越的特性，在众多关键应用中崭露头角，为推动电子技术迈向更高性能、更高效率的新阶段奠定了坚实基础。

一、半导体材料的发展脉络

半导体材料的发展历程犹如一部科技进步的编年史册，清晰地记录着每一代材料的兴衰与变革。

电子展了解到，第一代半导体材料，主要以硅（Si）和锗（Ge）为代表，在半导体产业的早期发展中占据了主导地位。20 世纪 50 年代，锗因其在低电压、低频率、中功率晶体管以及光电探测器等领域的应用优势，成为当时半导体市场的宠儿。然而，锗半导体器件在耐高温和抗辐射性能方面的先天不足，使其在后续的技术竞争中逐渐力不从心。到了 20 世纪 60 年代末，硅材料凭借其出色的耐高温、抗辐射特性，以及通过高纯度溅射二氧化硅（SiO2）薄膜技术所显著提升的器件稳定性和可靠性，成功取代锗，成为半导体领域的主流材料。直至今日，硅材料仍然在超过 95% 的半导体器件和超过 99% 的集成电路制造中发挥着中流砥柱的作用。尽管如此，硅材料的物理特性在光电子和高频高功率器件应用领域中存在一定的局限性，这也促使着半导体材料技术不断寻求新的突破。

第二代半导体材料则主要涵盖了化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、铟锑化物（InSb）等三元化合物半导体，以及锗硅（Ge - Si）、砷化镓 - 磷化镓（GaAs - GaP）等固溶体半导体，还包括玻璃半导体（非晶态半导体）和有机半导体等多种类型。这些材料在高速、高频、高功率和发光电子器件的制造中展现出独特的优势，成为高性能微波、毫米波器件以及发光器件生产的理想选择。随着信息技术与互联网产业的蓬勃兴起，第二代半导体材料在卫星通信、移动通信、光通信以及 GPS 导航等众多领域得到了广泛的应用与推广。但与此同时，砷化镓和磷化铟等材料的稀缺性和高昂成本，以及其自身所具有的毒性和可能引发的环境污染问题，在很大程度上限制了它们在更广泛领域的深入应用与进一步发展。

电子展了解到，第三代半导体材料的出现，为半导体技术的发展开辟了新的广阔天地。这类材料通常具有宽带隙（Eg≥2.3eV）的显著特征，其代表成员包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石以及氮化铝（AlN）等。这些材料在半导体照明、电力电子、激光器和探测器等多个领域展现出了巨大的应用潜力，且各个领域的产业成熟度也在不断提升。凭借其宽带隙特性所带来的高温、高频、高效率和高功率等性能优势，第三代半导体材料被广泛认为是未来半导体技术发展的重要方向与核心驱动力。尽管目前它们仍处于不断发展与完善的阶段，但可以预见的是，在那些对性能要求极为苛刻的应用场景中，第三代半导体材料有望逐步取代前两代半导体材料，引领半导体产业迈向全新的发展高度。

二、碳化硅和氮化镓：低损耗的化合物功率半导体

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）之所以备受关注，关键在于它们相较于传统硅材料，在化合物功率半导体领域展现出了极为显著的性能优势 —— 更低的损耗和更高的效率。

从材料构成来看，碳化硅是由碳元素与硅元素以特定化学键结合而成的化合物，氮化镓则是由镓元素与氮元素所组成。这种独特的化合物结构赋予了它们区别于单质半导体硅的特殊性能，使其被归类为化合物半导体。其中，突出的特性之一便是它们拥有比硅更宽的带隙。具体而言，碳化硅的带隙为 3.3eV，氮化镓的带隙则达到 3.4eV，而硅的带隙仅为 1.1eV。较宽的带隙使得这两种材料在电子跃迁过程中需要更高的能量，从而有效减少了在常温下电子因热激发而产生的漏电现象，降低了功率损耗，这也是它们被称为 “宽带隙半导体” 的重要原因。

电子展了解到，宽带隙半导体所具备的高介电击穿场强特性，为电力电子器件的小型化和高效化设计提供了全新的思路与可能。由于能够在较薄的耐压层上实现与硅相同的击穿电压，这使得基于碳化硅和氮化镓的电力电子器件可以在保持甚至提升性能的同时，显著减小器件的体积与重量，极大地提高了功率密度。此外，碳化硅和氮化镓还具有较高的电子迁移率，这意味着电子在材料中能够更加快速地移动，从而在导电过程中有效降低了电阻损耗。特别是在高温、高频的工作条件下，这种低损耗的特性表现得尤为突出，使得它们在功率转换应用领域具有远超传统硅材料的优势。

文章来源：腾讯网