第三代半导体材料碳化硅
一文带你认识第三代半导体材料双雄——碳化硅VS氮化镓
一文带你认识第三代半导体材料双雄——碳化硅VS氮化镓进入21世纪以来，随着摩尔定律的失效大限日益临近，寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。
在多位选手轮番登场后，有两位脱颖而出，它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。
SiC早在1842年就被发现了，但直到1955年，才有生长高品质碳化硅的方法出现;到了1987年，商业化生产的SiC进入市场;进入21世纪后，SiC的商业应用才算全面铺开。
相对于Si，SiC的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和漂移速度。
因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。
微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。
42GHz频率的SiC MESFET，用在了军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC做为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。
现在，SiC材料正在大举进入功率半导体领域。
一些知名的半导体器件厂商，如ROHM，英飞凌，Cree，飞兆等都在开发自己的SiC功率器件。
英飞凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基势垒二极管，其结合了第三代产品的低容性电荷(Qc)值与第二代产品的正向电压(Vf)水平相结合，使PFC电路达到最高效率水平，击穿电压则达到了650V。
飞兆半导体发布了SiC BJT，其实现了1200V的耐压，传到和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30～50%，从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。
ROHM公司则推出了1200V的第二代SiC制MOSFET产品，其实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装，比Si-IGBT相比，工作损耗降低了70%，并可达到50kHz 以上的开关频率。
值得一提的是，IGBT的驱动比较复杂，如果使用SiC基的MOSFET，则能使系统开发的难度大为降低。
SiC的市场颇为被看好，根据预测，到2022年，其市场规模将达到40亿美元，年平均复合增长率可达到45%。
第三代半导体分类
第三代半导体分类第三代半导体是指在半导体材料和器件方面的新一代技术。
与第一代和第二代半导体相比，第三代半导体具有更高的性能和更广泛的应用领域。
本文将从材料和器件两个方面介绍第三代半导体的分类。
一、材料分类第三代半导体的材料主要包括氮化硅（GaN）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。
这些材料具有优异的电子特性和热特性，使得第三代半导体在高频、高功率和高温环境下表现出色。
1. 氮化硅（GaN）氮化硅是一种宽禁带半导体材料，具有较高的电子饱和迁移率和较高的击穿电场强度。
它在高频功率放大器、射频开关和LED照明等领域有广泛应用。
2. 碳化硅（SiC）碳化硅是一种宽禁带半导体材料，具有较高的热导率和较高的击穿电场强度。
它在功率电子器件、高温电子器件和光电子器件等领域有广泛应用。
3. 氮化镓（GaN）氮化镓是一种窄禁带半导体材料，具有较高的电子迁移率和较高的饱和漂移速度。
它在高频功率放大器、射频开关和蓝光LED等领域有广泛应用。
二、器件分类第三代半导体的器件主要包括高电子迁移率晶体管（HEMT）、功率二极管和蓝光LED。
这些器件利用第三代半导体材料的优异特性，实现了更高的性能和更广泛的应用。
1. 高电子迁移率晶体管（HEMT）高电子迁移率晶体管是一种基于第三代半导体材料的场效应晶体管。
它具有较高的电子迁移率和较低的漏电流，适用于高频功率放大器和射频开关等领域。
2. 功率二极管功率二极管是一种基于第三代半导体材料的二极管。
它具有较高的击穿电压和较低的导通电阻，适用于功率电子器件和高温电子器件等领域。
3. 蓝光LED蓝光LED是一种基于第三代半导体材料的发光二极管。
它具有较高的发光效率和较长的寿命，适用于照明和显示等领域。
总结：第三代半导体是一种具有高性能和广泛应用领域的新一代半导体技术。
通过不同的材料和器件设计，第三代半导体实现了在高频、高功率和高温环境下的优异表现。
随着技术的不断发展，第三代半导体将在各个领域展现出更大的潜力和应用前景。
第三代半导体芯片的原料
第三代半导体芯片主要是指基于宽禁带半导体材料的芯片，这些材料具有较高的击穿电压、热稳定性和电子迁移率。
与传统的硅基半导体相比，第三代半导体在高温、高电压和高功率应用中表现出更好的性能。
第三代半导体芯片的主要原料包括：
1. 碳化硅（SiC）：碳化硅是一种典型的宽禁带半导体材料，具有高击穿电压、高热导率和低电子迁移率的特点。
碳化硅芯片适用于高功率和高温的应用，如电动汽车、可再生能源和工业自动化。
2. 氮化镓（GaN）：氮化镓同样是一种宽禁带半导体材料，具有更高的电子迁移率和更低的电阻率。
氮化镓芯片适用于高效率的电力电子转换和高速通信系统。
3. 氧化镓（Ga2O3）：氧化镓是另一种宽禁带半导体材料，其熔点较高，适用于高功率和高温环境下的应用。
4. 金刚石：虽然金刚石不是宽禁带半导体，但它是一种优秀的导热材料，可以用于散热applications。
这些材料在生产第三代半导体芯片时需要经过严格的加工和处理，包括晶体生长、切割、抛光、蚀刻、掺杂和封装等步骤。
第三代半导体芯片的研究和开发正在不断进展，有望在未来的电子和光电应用中发挥重要作用。
第三代半导体材料
第三代半导体材料
第三代半导体材料是指具有较高电子运动性能和导电性的新型材料，通常用于
替代传统的硅材料在电子器件中的应用。
这些材料在电子器件中具有更高的能带宽度和电子迁移率，因此可以实现更高的频率和功耗效率。
第三代半导体材料主要包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和氮化铟（InN）等。
氮化镓（GaN）
氮化镓是一种优良的半导体材料，具有较宽的能隙和高电子迁移率。
它在高功
率电子器件中广泛应用，如射频功率放大器、微波器件和光电子器件等。
氮化镓材料的高电子迁移率和高饱和漂移速度使其成为发展高频率高功率电子器件的理想选择。
碳化硅（SiC）
碳化硅是一种具有优良热导性和耐高温特性的半导体材料。
它被广泛应用于功
率电子器件和光电子器件中，如功率开关、脉冲功率放大器和光伏逆变器等。
碳化硅材料的高击穿电场强度和低导通电阻使其在高功率应用中具有较好的性能表现。
氮化铟（InN）
氮化铟是一种新型的半导体材料，具有较大的载流子迁移率和较高的载流子浓度。
它在光电子器件领域有着广泛的应用，如激光器、光探测器和光伏电池等。
氮化铟材料的优良光电性能使其成为实现高效能源转换和光通信的重要材料之一。
第三代半导体材料的出现为电子器件的性能提升和功能拓展提供了新的可能性，将推动电子科技领域的持续发展和创新。
随着对半导体材料性能要求的不断提高，第三代半导体材料必将在未来的电子设备中发挥越来越重要的作用。
某项目第三代半导体材料（SIC）工艺流程简介及施工重难点分析
某项目第三代半导体材料（SIC）工艺流程简介及施工重难点分析发布时间：2023-05-15T13:13:47.905Z 来源：《建筑模拟》2023年第1期作者：郁亮[导读] 本文结合某项目宽禁带半导体材料产业化项目一期工程，介绍了核心工艺流程，分析了施工重难点，提出了应对措施和设想，希望通过实践总结，为同类项目施工提供参考。
郁亮中电系统建设工程有限公司北京 100141摘要：本文结合某项目宽禁带半导体材料产业化项目一期工程，介绍了核心工艺流程，分析了施工重难点，提出了应对措施和设想，希望通过实践总结，为同类项目施工提供参考。
关键词：第三代半导体材料（SIC）工艺流程长晶工艺外延工艺第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AIN）为代表的宽禁带（禁带宽度Eg＞2.2eV）的半导体材料。
相对于硅，SiC的优点有很多：有高10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍的禁带宽度，高1倍的电子饱和漂移速度。
SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料，可用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器及汽车马达等领域的极端环境中。
特别适用于电动汽车、新能源、柔性电网等领域。
本次建设为宽禁带半导体材料产业化项目一期，年产5000片Si型SiC片、25000片N型SiC片。
本项目产品生产主要有三大工序。
一是原料处理和长晶（目前主流方法是长晶设备与原料提纯/合成设备为同型设备），主要设备为长晶炉，此外还包括切磨抛加工设备和检测、包装设备等。
二是对晶体进行加工，晶体加工后得到SiC衬底片产品，检测合格后进入下一道工序。
三是SiC同质外延、SiC 基GaN异质外延。
长晶工艺和硅基GaN外延工艺是工艺核心。
1 核心工艺流程简介及施工重难点分析由于长晶工艺及外延工艺是本项目的工艺核心，以下重点围绕上述两个工艺进行分析。
第三代半导体概念
第三代半导体概念•一、背景简介•半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分，在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。
目前全球的半导体产业游正向中国大陆转移，中国晶圆厂扩产的步伐已逐渐加快。
伴随着国内晶圆厂的投产，将产生更多半导体材料的需求，市场需求空间被打开。
•第三代半导体材料是以碳化硅（Sic）、氮化掠（Gal）、氧化锌（zo）、金刚石、氮化铝（AIN）为代表的宽禁带半导体材料，目前碳化硅（sic）和氮化綜（Gal）是主流，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。
•三代半导体材料比较：••第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性，相比s基半导体可以降低50%以上的能量损失，同时使装备体积减小75%人上。
•第三代半导体属于后摩尔定律概念，制程和设备要求相对不高，难点在于第三代半导体材料的制备，同时在设计上要有优势。
由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势，多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用，无法挑战si基半导体的统治地位。
•二、产业链情况•半导体材料是产业链上游环节中非常重要的一环，主要分为基体材料、晶圆制造材料、封装材料和关键元器件材料。
半导体行业经过近六十年的发展，半导体材料经历了三次明显的换代和发展。
相比于第一、二代半导体，第三代半导体基体材料具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。
•GaN侧重高频性能，广泛应用于基站、雷达、工业、消费电子领域。
预计到2022年，GaN器件的市场规模将超过25亿美元，年复合增长率为17%，5G基站以及快充两个领域复合增速较快，有望成为GaN市场快速增长的主要驱动力。
•（1）5G基站•GaN射频器件更能有效满足5G高功率、高通信频段的要求，未来5G基站GaN将逐步取代LDMOS市场空间，基于GaN工艺的基站占比将由50%增至58%，带来大量GaN需求。
2023年中国第三代半导体行业发展研究报告
一、行业概况1、定义以碳化硅⑸Q、氮化钱(GaN)、氧化锌亿nO)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带半导体材料，被称为第三代半导体材料，目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化线(GaN)。
与传统材料相比，第三代半导体材料更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件，因此，其为基础制成的第三代半导体具备更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的导热率，以及更强的抗辐射能力等诸多优势，在高温、高频、强辐射等环境下被广泛应用。
第三代半导体主要包括碳化硅⑸C)、氮化铝(A1N)、氮化钱(GaN)、金刚石、氧化锌亿nθ),其中，碳化硅(SiC)和氮化钱(GaN)并称为第三代半导体材料的“双雄”，是第三代半导体材料的典型代表。
奥料来源：前瞻产北研究院@前瞻经济学人APP2、产业链剖析：产业链涉及多个环节第三代半导体产业链分为上游原材料供应，中游第三代半导体制造和下游第三代半导体器件环节。
上游原材料包括衬底和外延片;中游包括第三代半导体设计、晶圆制造和封装测试;下游为第三代半导体器件应用，包括微波射频器件、电力电子器件和光电子器件等。
中国第三代半导体行业产业链如下：第三代半导体产业链各个环节国内均有企业涉足。
从事衬底片的国内厂商主要用露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳、维微科技、科恒晶体、线铝光电等等;从事外延片生产的厂商主要有瀚天天成、东莞天域、晶湛半导体、聚能晶源、英诺赛科等。
苏州能讯、四川益丰电子、中科院苏州纳米所等;从事第三代半导体器件的厂商较多，包括比亚迪半导体、闻泰科技、华润微、士兰微、斯达半导、扬杰科技、泰科天润等。
中游 下游奥料来源：前瞻产北研究院 @前瞻经济学人APP上游 比代1J 体第代I ：H 小■H*第三代看体■■■■………奥料来源：前瞻产北研究院 二、行业发展历程：兴起的时间较短中国第三代半导体兴起的时间较短，2013年，科技部863计划首次将第三代半导体产业列为国家战略发展产业。
第三代金刚石半导体能隙
第三代金刚石半导体能隙
第三代金刚石半导体的能隙是一个非常重要且复杂的话题。
金刚石半导体通常指的是以金刚石（碳化硅）为基底的半导体材料。
金刚石半导体的能隙是指其能带结构中价带和导带之间的能量差。
第三代金刚石半导体是指在金刚石基底上生长的氮化镓（GaN）等材料，其能隙通常在紫外光波段。
从半导体材料的角度来看，能隙是一个非常重要的参数，它决定了材料的电子结构和光学性质。
对于第三代金刚石半导体材料来说，其能隙通常在3到6电子伏特之间，这使得它们在紫外光到可见光范围内具有良好的光电特性。
从应用的角度来看，第三代金刚石半导体的能隙使其具有许多潜在的应用，例如在光电器件、激光器、紫外光发射器件等方面具有重要的作用。
由于其较宽的能隙，第三代金刚石半导体还具有较高的电子迁移率和较高的击穿电压，这使得它们在高频功率器件和高温高压环境下具有广阔的应用前景。
总的来说，第三代金刚石半导体的能隙是其重要的物理特性之一，对于理解其电子结构、光学性质以及在各种器件中的应用具有
重要意义。
通过对其能隙特性的深入研究，可以更好地发挥其在光电子领域的潜力，推动相关领域的科学研究和技术发展。
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第三代半导体材料碳化硅
一、第三代半导体发展简述
半导体产业的基石是芯片。
制作芯片的核心材料按照历史进程分为三代：第一代半导体材料（主要为目前广泛使用的高纯度硅）、第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟）、第三代化合物半导体材料（碳化硅、氮化镓）。
第三代半导体材料也称为禁带半导体材料，是指禁带宽度在2.3eV（电子伏特）及以上的半导体材料（硅的禁带宽度为1.12eV），其中较为典型的和成熟的包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，其余包括氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等的研究尚处于起步阶段。
第三代半导体材料在禁带宽度、热导率、介电常数、电子漂移速度方面的特性使其适合制作高频、高功率、高温、抗辐射、高密度集成电路；其在禁带宽度方面的特性使其适合制作发光器件或光探测器等。
5G基站射频器件对高频材料的需求，以及功率器件正向着大功率化、高频化、集成化方向发展的趋势凸显出了第三代半导体材料的重要性及广阔前景。
而该领域基本由美日企业主导，我国相对薄弱，研发仍主要集中于军工领域。
国家战略新兴产业政策中多次提到以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体器件，随着国内多家企业开始重视该领
域，积极布局相关项目，我国的第三代半导体材料及器件有望实现较快发展。
二、第三代半导体---碳化硅概述
碳化硅是第三代化合物半导体材料的，具有优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。
半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，基本结构都可以划分为“衬底—外延—器件”结构。
碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。
图：碳化硅晶片产业链
碳化硅晶片是碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。
碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。
根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型。
其中，导电型碳化硅晶片主要用于制造耐高温、耐高压的功率器件，；半绝缘型碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等。
图：碳化硅产品类型
碳化硅晶片生产工艺流程简单概况，是以高纯度硅粉和高纯度碳粉为原材料，采用物理气相传输法（PVT）生长碳化硅晶体，经过加工、切割、研磨、抛光、检测、清洗后，形成可供下游使用的碳化硅晶片。
晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。
三、第三代半导体---碳化硅主要应用
碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件，广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域。
（一）功率器件
碳化硅功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。
作为用电装备和系统中的核心，功率器件的作用是实现对电能的处理、转化和控制，管理着全球超过50%的电能资源，广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面。
现有的功率器件大多基于硅半导体材料，由于硅材料物理性能的限制，期间的能效和性能已逐渐接近极限，难以满足循序增长和变化的电能应用新需求。
碳化硅功率期间以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力
电子系统的高效率、小型化和轻量化要求，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。
经过近30年研究和开发，碳化硅衬底和功率器件制造技术在今年逐步成熟，并快速推广应用。
（二）射频器件
微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件，是无线通讯的核心，主要包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等器件，其中，功率放大器是放大射频信号的器件，直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。
以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。