宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

引用莎士比亚的话来说就是：To be or not to be,that's a question.翻译成北京话就是：这么着儿，还是那么着儿。具体来说就是一个好的半导体一定要是一个可以选择的状态，比如我给它加电压，它就导通（这么着儿），我不给它加电压，它就应该关闭（那么着儿）。同理如果我给它加电压它导通（这么着儿），我不给它加电压它还这么着儿（导通），那这就是个导体。如果我不给它加电压它关闭，当我给它加电压它还这么着儿（关闭），那它就是个绝缘体。

宽禁带的优势

第三代半导体主要是指宽禁带半导体，那么这个“宽禁带”到底怎样带来性能优势呢？

大家都知道电子的定向移动形成电流，继续之前的举例，电子这位“运动员”只需要跨过栏架或者高墙就完成工作了。但是电子跨过护栏和高墙都需要一些力气，这种时候如果有人能扶他一下就会很省力了。这些帮助者可以是光照或者外加电压，为其提供能量。

前文已经介绍了半导体的职责，那么现在就是如果选择“To be or not to be”的交界线了，在例子中这个交界线就是障碍物的高度和厚度，也就是实际中的禁带宽度。所以针对应用选择一个合适的“禁带宽度”材料就很重要了。

以金刚石为例，金刚石的禁带宽度达5.5eV，远大于Ge（0.67eV）、Si（1.12eV）和GaAs（1.43ev）等常规材料，这不仅保证了金刚石器件能在700-1000度下安全工作，有良好的抗辐射加固能力，而且大大提高了器件的雪崩击穿电压压。

另外禁带宽度也与场效应管的沟道导通电阻有关，禁带宽度越大，相应器件就会具有较低的导通电阻。

金刚石热导率很大，因此用金刚石制作的器件散热性能良好。金刚石的介质击穿场强也很高，大致为V/cm，所以能提高器件的最高工作温度和功率。

同时金刚石的介电常数较低，这可以影响到器件的阻抗，并且有利于提高器件的工作频率。

第三代半导体的应用

LED：

第三代半导体以氮化镓、氮化铝、氮化铟这些三族氮化物为例，这些氮化物半导体可以制作蓝光LED、绿光LED，最终可以通过组合的方式实现白光LED。现在不少手机屏幕，显示器的背部光源用的就是LED。

人类用氮化物制造LED的历史其实有很长时间了，中村修二于1993年在日本日亚化学工业株式会社就职期间，基于GaN开发了高亮度蓝色LED。中村修二于2014年与赤崎勇，天野浩因发明“高效蓝色发光二极管”而获得诺贝尔物理学奖。

出自《我国半导体市场:继续直线上升——我国超高亮度及白光LED产业的现状与发展》

此文章发表于2005年，在那时国外很多公司已经将氮化物用于制作LED，并且实现了商业化。

紫外探测：

紫外探测是第三代半导体的重要应用之一。

比如在高压电线杆上有时候会出现放电的现象，这种现象称之为“电晕”。高电压设备电晕放电会产生紫外线，我们只需要检测这些紫外线就能更好的监测电网设备的运行。同理也可以监测高铁等其它设备上的电晕情况。

再比如紫外探测可以检测导弹的尾焰、森林防火、船只导航等用途。

高功率器件：

用第三代半导体制作的高功率器件具有体积更小、效率更高、性能更强等特点。

比如各大厂商推出的GaN手机充电器。特别是手机开启快充时代后，手机充电器的功率越来越大，如果继续用传统材料制作手机充电器，那么体积就会太大进而不方便携带。而用GaN制作的手机充电器体积就能缩小很多。同理也可以用GaN制作笔记本电脑的电源适配器。

除了手机以外，其它更大的设备也可以使用类似的技术。比如新能源汽车的充电桩。对于电动汽车来说提高充电效率每年就可以省下不少的电力资源。同理也可以用于制作汽车上使用的IGBT。

用第三代半导体制作的器件可以在瞬间输出巨大的能量，因此它也可以被用于制作航空母舰上的电磁弹射器，或者是舰船上的电磁炮。

射频与微波：

在这方面，大家比较熟知的应该就是5G了。使用第三代半导体材料可以建造更加节能且性能更强的5G基站，而且也可以用于制作5G射频芯片。

在军用方面，第三代半导体可以用于制作包括相控阵雷达在内的各种军用雷达。在AUSA2016上,雷声公司展示了第一台全尺寸的“爱国者”下一代雷达的原型机。这种新型雷达采用了AESA体制和氮化镓(GaN)材料制成的芯片。“爱国者”防空系统原有的雷达是无源相控阵体制的AN/MPQ-53/65,其使用的是砷化镓(GaAs)材料制成的芯片。

硅还是老大哥

在前文中提到过第三代半导体和第一代、第二代半导体因为应用场景方面的问题，并不属于同一赛道。

那么现在半导体市场上主流业务是什么呢？是集成电路。而恰巧，在当前技术条件下第三代半导体不适合用于制作数字逻辑电路。第三代半导体的主战场更多的会集中在分立器件上。

根据相关新闻报道，2018年全球半导体市场规模达到4779.4亿美元，而且每年还在快速增长中。根据国外研究机构数据显示，到了2025年第三代半导体市场的规模将达到434亿美元。

但从我国半导体产业发展的角度来说，发展第三代半导体总算暂时不用被先进光刻机卡脖子了。

（编辑：晋中站长网）

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