第三代半導(dǎo)體未來(lái)將成為主流
半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料,會(huì)根據(jù)其化學(xué)狀態(tài)或外部條件而表現(xiàn)為導(dǎo)體或絕緣體,利用這種特性,可以制成功能多種多樣的元器件?,F(xiàn)有的絕大部分電子元器件都離不開(kāi)半導(dǎo)體,可以說(shuō)半導(dǎo)體行業(yè)是現(xiàn)代電子信息社會(huì)高速發(fā)展的重要支撐。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,半導(dǎo)體行業(yè)也已經(jīng)發(fā)展到第三代,從最早的Si、Ge為代表的的第一代半導(dǎo)體逐漸發(fā)展到以SiC、GaN等為代表的的第三代半導(dǎo)體,無(wú)論是從功能還是性能來(lái)說(shuō)都有了很大的變化。為了讓大家能夠更好的了解第三代半導(dǎo)體,今天小編就通過(guò)物理性能、制備成本和競(jìng)爭(zhēng)力三個(gè)方面來(lái)分析一下第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)。
什么是第三代半導(dǎo)體?
第三代半導(dǎo)體一般指禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料,也稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一代半導(dǎo)體材料以硅(Si)為代表;第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵(GaAs)也已經(jīng)廣泛應(yīng)用;而以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁(AlO)、金剛石等禁帶為代表的則是系三代半導(dǎo)體。
第三代半導(dǎo)體材料具備高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率及抗強(qiáng)輻射能力等優(yōu)異性能,是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”,正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。其中最具代表性的則是碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN),本文主要論述的也是這兩種半導(dǎo)體材料。
第三代半導(dǎo)體在物理性能上有什么優(yōu)勢(shì)?
SiC材料相比于Si材料有著顯著的優(yōu)勢(shì)。目前車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體主要采用硅基材料,但受自身性能極限限制,硅基元器件的功率密度難以進(jìn)一步提高,硅基材料在高開(kāi)關(guān)頻率及高壓下?lián)p耗大幅度提升。而與硅基半導(dǎo)體材料相比,以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有以下優(yōu)勢(shì):
(1)能量損耗低。SiC模塊的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗顯著低于筒燈IGBT模塊,并且隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高,與IGBT模塊的損耗差距越大。所以SiC模塊在降低損耗的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān),有助于降低電池用量,提高續(xù)航里程,解決新能源汽車痛點(diǎn)。
(2)更小的封裝尺寸。SiC器件具備更小的能量損耗,能夠提供較高的電流密度。在相同功率等級(jí)下,碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基模塊,有助于提升系統(tǒng)的功率密度。
(3)耐高溫、散熱能力強(qiáng)。SiC的禁帶寬度、熱導(dǎo)率約是Si的3倍,可承受溫度更高,高熱導(dǎo)率也將帶來(lái)功率密度的提升和熱量的更易釋放,冷卻部件可小型化,有利于系統(tǒng)的小型化和輕量化。
(4)實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)。SiC材料的電子飽和漂移速率是Si的2倍,有助于提升器件的工作頻率;高臨界擊穿電場(chǎng)的特性使其能夠?qū)OSFET帶入高壓領(lǐng)域,克服IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的拖尾電流問(wèn)題,降低開(kāi)關(guān)損耗和整車損耗,減少無(wú)源器件如電容、電感等的使用,從而減少系統(tǒng)體積和重量。
GaN 作為第三代半導(dǎo)體具有寬帶隙(3.4 eV)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)大(3.3 MW / cm)、電子飽和漂移速度高(2.7 * 107cm / s)等物理結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。GaN相較前兩代半導(dǎo)體材料具有更大的禁帶寬度和擊穿電壓,同時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性高,能夠耐高溫,耐腐蝕,因此在光電器件以及高頻高功率電子器件應(yīng)用上具有廣闊的前景。
在以往的半導(dǎo)體材料中,Si是目前集成電路及半導(dǎo)體器件的主要材料,但其帶隙窄,擊穿電壓低,在高頻高功率器件的應(yīng)用上效果不佳。以GaAs代表的第二代半導(dǎo)體材料由于電子遷移速率高,抗輻射等優(yōu)點(diǎn)在微波通信領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值,是目前通信用半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)。然而,GaAs的帶隙和擊穿電壓仍難以滿足高頻高功率器件的要求。
第三代半導(dǎo)體的制備成本會(huì)高很多嗎?
SiC晶體的制備方法主要有液相生長(zhǎng)法和物理氣相傳輸法兩種方法,其中液相生長(zhǎng)法主要集中在日本的高校和科研院所,而大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化主要采用的是物理氣相傳輸法(PVT法),所以SiC的制備技術(shù)門檻都比較高。
GaN單晶材料的生長(zhǎng)方式主要分為氣相外延與液相外延兩種方式,其中氣相外延技術(shù)(HVPE)由于生長(zhǎng)速率高,能夠得到大尺寸晶體的優(yōu)點(diǎn),是目前制備GaN單晶襯底的主流生長(zhǎng)技術(shù)。
目前來(lái)說(shuō),第三代半導(dǎo)體還處在發(fā)展階段,相較于第一代半導(dǎo)體和第二代半導(dǎo)體,第三代半導(dǎo)體制備成本都相對(duì)較高。雖然生產(chǎn)難度大,生產(chǎn)成本高,但隨著量產(chǎn)技術(shù)趨于穩(wěn)定以及各大企業(yè)加入競(jìng)爭(zhēng),第三代半導(dǎo)體的價(jià)格呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì),與第一第二代半導(dǎo)體之間的價(jià)格差正在快速縮小。未來(lái)隨著全球半導(dǎo)體廠商的加速研發(fā)及量產(chǎn)技術(shù)改良,產(chǎn)線的良品率與晶圓利用率逐步提高,第三代半導(dǎo)體的成本將會(huì)繼續(xù)降低。
第三代半導(dǎo)體在哪些領(lǐng)域有競(jìng)爭(zhēng)力?
第一是新能源汽車等帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體在大功率電力電子器件起量。快充裝置、輸變電系統(tǒng)、軌道交通、電動(dòng)汽車和充電樁等都需要大功率、高效率的電力電子器件。無(wú)疑寬禁帶半導(dǎo)體,尤其是碳化硅、氮化鎵具有比其他半導(dǎo)體材料更為明顯的優(yōu)勢(shì)。
第二是AloT時(shí)代驅(qū)動(dòng)的光電器件大發(fā)展。在AloT時(shí)代,智慧化產(chǎn)品滲透率更加迅速提升,智能家居照明市場(chǎng)將迎來(lái)機(jī)遇。第三代半導(dǎo)體尤其在短波長(zhǎng)光電器件方面有很明顯的優(yōu)勢(shì)。例如藍(lán)光,現(xiàn)在所有的半導(dǎo)體照明都已經(jīng)采用了氮化鎵。在紫光、紫外光甚至在黃光、綠光等方面都可以直接用氮化物半導(dǎo)體作為材料。
第三是5G時(shí)代驅(qū)動(dòng)GaN射頻器件快速發(fā)展。相比于砷化鎵和硅等半導(dǎo)體材料,在微波毫米波段的第三代半導(dǎo)體器件工作效率和輸出功率明顯更高,適合做射頻功率器件。民用射頻器件主要用在移動(dòng)通信方面,包括現(xiàn)在的4G、5G和未來(lái)的6G通信。例如,國(guó)內(nèi)新裝的4G和5G移動(dòng)通信的基站幾乎全用氮化鎵器件。尤其是5G基站采用MIMO收發(fā)體制,每個(gè)基站64路收發(fā),耗電量是4G基站的3倍以上,而且基站的密集度還要高于4G基站,不用高效率的氮化鎵器件幾乎是不可能的。未來(lái)6G通信頻率更高、基站數(shù)更多,GaN將更加突出。
當(dāng)前能源技術(shù)革命已經(jīng)從電力高端裝備的發(fā)展,逐步向由材料革命的發(fā)展來(lái)帶動(dòng)和引領(lǐng),第三代半導(dǎo)體有望成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。習(xí)近平總書記提出了“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的能源安全戰(zhàn)略,承諾中國(guó)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。國(guó)家電網(wǎng)“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案提出了“兩個(gè)50%”的目標(biāo),2050年清潔能源占電能生產(chǎn)的比例將超過(guò)50%,電能在終端能源消費(fèi)中的占比將超過(guò)50%。實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”關(guān)鍵在于加快推進(jìn)能源開(kāi)發(fā)清潔替代和能源消費(fèi)電能替代,實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)清潔主導(dǎo)、能源使用電能主導(dǎo),這一系列的舉措都會(huì)推動(dòng)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展。
共有-條評(píng)論【我要評(píng)論】