What is a wide bandgap semiconductor?

随着集成电路晶体管密度越来越接近物理极限，单纯依靠提高制程来提升集成电路性能变得越来越困难。围绕如何发展“后摩尔时代”的集成电路产业，全球都在积极寻找新技术、新方法和新路径。当前，国内外都在部署宽禁带半导体（又称第三代半导体）器件和材料产业。西安电子科技大学教授郝跃在《中国电子报》中对其进行了介绍。
1.什么是宽禁带半导体
是指那些禁带宽度（即价带和导带之间的能量差距）大于或等于2.3电子伏特（eV）的半导体材料。禁带宽度是半导体材料的一个关键特性，它决定了材料的电子和光学性质，以及其在各种电子和光电子器件中的潜在应用。
从材料的性质方面它更接近于绝缘体。因此，以氮化镓和碳化硅为代表的这类宽禁带半导体材料，拥有高的击穿电场强度、高的工作温度、低的器件导通电阻、高的电子密度等优势。
2.应用领域
第一是射频器件，即微波毫米波器件。相比于砷化镓和硅等半导体材料，在微波毫米波段的宽禁带半导体器件工作效率和输出功率明显高，适合做射频功率器件。民用射频器件主要用在移动通信方面，包括现在的4G、5G和未来的6G通信。例如，国内新装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是5G基站采用MIMO收发体制，每个基站64路收发，耗电量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度还要高于4G基站，不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。未来6G通信频率更高、基站数更多，矛盾将更加突出。第二是大功率电力电子器件。快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。无疑宽禁带半导体，尤其是碳化硅、氮化镓具有比其他半导体材料更为明显的优势。第三是光电器件。宽禁带半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。例如蓝光，现在所有的半导体照明已经采用了氮化镓。在紫光、紫外光甚至在黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。当然，还有其他应用领域，例如探测器、传感器等方面，应用十分广阔。
3.它能替代硅材料吗？
教授认为，硅集成电路跟其他类型的半导体，例如化合物半导体与硅器件高度结合，在硅衬底上生长化合物，这是后摩尔时代的一个非常有意义、非常有发展潜力的领域。也是未来宽禁带半导体器件和集成电路发展的重要方向。但是，宽禁带半导体材料要替代硅是不可能的。集成电路当前90%以上使用的依然是硅基半导体，还有太阳能电池等，主要用的都是硅材料。宽禁带半导体器件和集成电路只在全球的半导体市场中占很小的份额，主要用在大功率射频器件、电力电子器件和短波长光电器件中。硅现在还是半导体材料的主流。因为硅材料很难发光，也很难在高频下提高输出功率，宽禁带半导体才有了独立的发展空间和巨大的应用市场。
4.推广难点
当前，我国半导体产业面临“卡脖子”问题，主要卡在关键设备和材料方面。但在宽禁带半导体设备方面，目前大多数领域我们都实现了本土化，从材料生长、器件和电路工艺到测试封装设备，国内基本能够满足需求。唯独光刻机仍然没有解决。其实，像氮化镓等宽禁带半导体所需要的光刻机工艺制程并不需要十分先进，光刻精度90纳米就够了。在国家相关政策的支持下，这个技术我们是可以实现的。当前已经研制成功的光刻机，应当尽快实现稳定的量产，这方面我们还需努力。我们能做到做好的能够变成产业化的东西，一定要把它做到能用。
5.还有哪些材料可以战未来？
最有可能的是氧化镓材料，它的禁带宽度比氮化镓和碳化硅更宽，达到了4.6~4.8电子伏特。我们目前的研究表明，这类材料是有希望的。在未来10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争，这就如同今天碳化硅和硅的大功率器件情形一样。氧化镓目前还不行，这要看后续的研究进展。另外，金刚石材料的禁带宽度是5.4电子伏特，对这种材料和器件，国内的研究基础是很好的，但这种材料还存在很多技术难点，产业化难度比较大，这要看未来10年在技术上会有什么样的突破。可以说，我们一直在不懈努力。