专栏名称: 第三代半导体产业联盟

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第3代半导体材料在5G通讯领域的发展与机遇

第三代半导体产业联盟 · 公众号 · · 2019-03-05 09:42

正文

一、研究背景

宽禁带半导体——碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），是继第1代硅（Si）、锗（Ge）和第2代砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等材料之后发展起来的第3代半导体材料。宽禁带半导体可以在较高的温度和较大的外界能量作用下保持原有的N型或P型导电性能，从而使器件可以在高温和强辐照环境下工作，其临界场强也大，因此器件的耐压程度也较高。第3代半导体主要以SiC、GaN的场效应管为主流，已成为突破600 ℃工作温度、超过兆瓦级的固态功率电子学和10 W/mm高功率密度射频电子的关键器件，属于半导体科学、材料科学、高温电子学、兆瓦功率电子学、高功率微波电子学等跨学科前沿研究领域。

未来的5G通讯系统对移动通信基站的带宽要求达1 GHz，传统的Si-LDMOS 技术已无法满足需求；随着绿色环保、低碳经济理念在全球不断的推广深入人心，运营商对于移动通信基站的效率提出了越来越高的需求，而射频功率放大器是基站设备中主要的能耗部件，大带宽、高效率、小体积，轻质量、低成本的射频功率放大器需求日益迫切。因此SiC、GaN材料及器件的研究对于5G通讯具有重要意义，是需要进一步发展的高核心技术。

表1是几种常用半导体材料特性的对比，可以清楚地看出SiC和GaN具有宽禁带宽度(如GaN的禁带宽度为3.49 eV)、高临界场强（如GaN击穿电场高达3.3´106 V/cm）、高热导率、高载流子饱和速率等特性。GaN具有比SiC更高的迁移率，更重要的是GaN可以形成调制掺杂的铝镓氮（AlGaN）/GaN结构，该结构可以在室温下获得更高的电子迁移率、极高的峰值电子速度（3´107 cm/s）和饱和电子速度（2.7´107 cm/s），并获得比GaAs、InP异质结器件中更高的二维电子气浓度（2´1013 /cm2）。因此，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体成为制造大功率/高频电子器件、短波长光电子器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料，其高频大功率应用的品质因数远远超过了Si和GaAs材料。

表1 各种半导体材料的性能参数

材料特性	Si	GaAs	4H-SiC	GaN
禁带宽度/eV	1.1	1.42	3.26	3.49
电子迁移率/(cm ² /Vs)	1 500	8 500	800	2 000
饱和漂移速度/(10 ⁷ cm/s)	1	2.1	2	2.7
临界击穿场强/(MV/cm)	0.3	0.4	2	3.3
热导率/(W/cm·K)	1.5	0.5	4.9	1.7
功率密度/（W/mm）	1.5	0.5	4.9	1.3
工作温度/ ℃	175	175	650	600
抗辐射能力/rad