進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導(dǎo)體硅材料替代品的任務(wù)變得非常緊迫。在多位選手輪番登場(chǎng)后，有兩位脫穎而出，它們就是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)——并稱(chēng)為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。

　　碳化硅（SiC）俗稱(chēng)金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。SiC材料方面的企業(yè)以Cree、II-VI、Dow Corning等為代表，其中2013年Cree開(kāi)發(fā)出6英寸SiC單晶產(chǎn)品，其微管密度低于1個(gè)/cm2;多家公司研發(fā)出厚度超過(guò)250μm的SiC外延材料樣品，并批量提供中低壓器件用SiC外延材料產(chǎn)品。在SiC器件方面，國(guó)際上報(bào)道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超過(guò)20kV的SiC功率二極管和SiC IGBT芯片樣品。Cree和Rohm公司開(kāi)發(fā)了SiC MOSFET產(chǎn)品，電壓等級(jí)從650V~1700V，單芯片電流超過(guò)50A，并開(kāi)發(fā)出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模塊產(chǎn)品。

　　氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙*的半導(dǎo)體，GaN是另一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料。它具有獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和二維電子氣，在此基礎(chǔ)上研制的高電子遷移率晶體管(HEMT)是一種平面型器件，可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度的優(yōu)良特性。國(guó)際上也有團(tuán)隊(duì)報(bào)道了垂直型的GaN電力電子器件。近年來(lái)圍繞GaN半導(dǎo)體器件的全球研發(fā)投入以及生產(chǎn)規(guī)模均快速增長(zhǎng)，其中650V以下的平面型HEMT器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

　　發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域

　　根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

　　第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域

　　半導(dǎo)體照明

　　LED襯底類(lèi)別包括藍(lán)寶石、碳化硅、硅以及氮化鎵。藍(lán)光LED在用襯底材料來(lái)劃分技術(shù)路線(xiàn)。SiC襯底有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問(wèn)題，減少了缺陷和位錯(cuò)，更高的電光轉(zhuǎn)換效率從根本上帶來(lái)更多的出光和更少的散熱。氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越特性，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。時(shí)至今日，氮化鎵襯底相對(duì)于藍(lán)寶石、碳化硅等襯底的性能優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，最大難題在于價(jià)格過(guò)高。