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    第三代半導體未來將成為主流

    發布時間:2021-10-29 16:54  作者:超毅電子  點擊次數:
           半導體是一種導電性能介于導體與絕緣體之間的材料,會根據其化學狀態或外部條件而表現為導體或絕緣體,利用這種特性,可以制成功能多種多樣的元器件。現有的絕大部分電子元器件都離不開半導體,可以說半導體行業是現代電子信息社會高速發展的重要支撐。
     
           隨著科學技術的不斷發展,半導體行業也已經發展到第三代,從最早的Si、Ge為代表的的第一代半導體逐漸發展到以SiC、GaN等為代表的的第三代半導體,無論是從功能還是性能來說都有了很大的變化。為了讓大家能夠更好的了解第三代半導體,今天小編就通過物理性能、制備成本和競爭力三個方面來分析一下第三代半導體的優勢。
     
    什么是第三代半導體?
     
           第三代半導體一般指禁帶寬度大于2.2eV的半導體材料,也稱為寬禁帶半導體材料。半導體產業發展至今經歷了三個階段:第一代半導體材料以硅(Si)為代表;第二代半導體材料砷化鎵(GaAs)也已經廣泛應用;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體。
     
           第三代半導體材料具備高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優異性能,是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”,正在成為全球半導體產業新的戰略高地。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體材料。


    三代半導體特征
    第三代半導體在物理性能上有什么優勢?
     
           SiC材料相比于Si材料有著顯著的優勢。目前車規級半導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一步提高,硅基材料在高開關頻率及高壓下損耗大幅度提升。而與硅基半導體材料相比,以碳化硅為代表的第三代半導體材料具有以下優勢:

    (1)能量損耗低。SiC模塊的開關損耗和導通損耗顯著低于筒燈IGBT模塊,并且隨著開關頻率的提高,與IGBT模塊的損耗差距越大。所以SiC模塊在降低損耗的同時,可以實現高速開關,有助于降低電池用量,提高續航里程,解決新能源汽車痛點。
    (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,有助于提升系統的功率密度。
    (3)耐高溫、散熱能力強。SiC的禁帶寬度、熱導率約是Si的3倍,可承受溫度更高,高熱導率也將帶來功率密度的提升和熱量的更易釋放,冷卻部件可小型化,有利于系統的小型化和輕量化。
    (4)實現高頻開關。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;高臨界擊穿電場的特性使其能夠將MOSFET帶入高壓領域,克服IGBT在開關過程中的拖尾電流問題,降低開關損耗和整車損耗,減少無源器件如電容、電感等的使用,從而減少系統體積和重量。

     
           GaN 作為第三代半導體具有寬帶隙(3.4 eV)、擊穿場強大(3.3 MW / cm)、電子飽和漂移速度高(2.7 * 107cm / s)等物理結構優勢。GaN相較前兩代半導體材料具有更大的禁帶寬度和擊穿電壓,同時化學穩定性高,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用上具有廣闊的前景。
     
           在以往的半導體材料中,Si是目前集成電路及半導體器件的主要材料,但其帶隙窄,擊穿電壓低,在高頻高功率器件的應用上效果不佳。以GaAs代表的第二代半導體材料由于電子遷移速率高,抗輻射等優點在微波通信領域有著重要的應用價值,是目前通信用半導體材料的基礎。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。



    第三代半導體物理指標

    第三代半導體的制備成本會高很多嗎?
     
           SiC晶體的制備方法主要有液相生長法和物理氣相傳輸法兩種方法,其中液相生長法主要集中在日本的高校和科研院所,而大規模產業化主要采用的是物理氣相傳輸法(PVT法),所以SiC的制備技術門檻都比較高。

           GaN單晶材料的生長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(HVPE)由于生長速率高,能夠得到大尺寸晶體的優點,是目前制備GaN單晶襯底的主流生長技術。
     
           目前來說,第三代半導體還處在發展階段,相較于第一代半導體和第二代半導體,第三代半導體制備成本都相對較高。雖然生產難度大,生產成本高,但隨著量產技術趨于穩定以及各大企業加入競爭,第三代半導體的價格呈現快速下降的趨勢,與第一第二代半導體之間的價格差正在快速縮小。未來隨著全球半導體廠商的加速研發及量產技術改良,產線的良品率與晶圓利用率逐步提高,第三代半導體的成本將會繼續降低。


     
    碳化硅價格趨勢

    第三代半導體在哪些領域有競爭力?
     
           第一是新能源汽車等帶動第三代半導體在大功率電力電子器件起量。快充裝置、輸變電系統、軌道交通、電動汽車和充電樁等都需要大功率、高效率的電力電子器件。無疑寬禁帶半導體,尤其是碳化硅、氮化鎵具有比其他半導體材料更為明顯的優勢。
     
           第二是AloT時代驅動的光電器件大發展。在AloT時代,智慧化產品滲透率更加迅速提升,智能家居照明市場將迎來機遇。第三代半導體尤其在短波長光電器件方面有很明顯的優勢。例如藍光,現在所有的半導體照明都已經采用了氮化鎵。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體作為材料。
     
           第三是5G時代驅動GaN射頻器件快速發展。相比于砷化鎵和硅等半導體材料,在微波毫米波段的第三代半導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通信方面,包括現在的4G、5G和未來的6G通信。例如,國內新裝的4G和5G移動通信的基站幾乎全用氮化鎵器件。尤其是5G基站采用MIMO收發體制,每個基站64路收發,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6G通信頻率更高、基站數更多,GaN將更加突出。
     
           當前能源技術革命已經從電力高端裝備的發展,逐步向由材料革命的發展來帶動和引領,第三代半導體有望成為綠色經濟的中流砥柱。習近平總書記提出了“四個革命、一個合作”的能源安全戰略,承諾中國在2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和。國家電網“碳達峰、碳中和”行動方案提出了“兩個50%”的目標,2050年清潔能源占電能生產的比例將超過50%,電能在終端能源消費中的占比將超過50%。實現“碳達峰、碳中和”關鍵在于加快推進能源開發清潔替代和能源消費電能替代,實現能源生產清潔主導、能源使用電能主導,這一系列的舉措都會推動第三代半導體的發展。



     

     

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