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第1、第2、第3代半導體材料,后浪強勁但打不死前浪
2020年12月14日 發布 分類:行業要聞 點擊量:128
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許多人在談到第三代半導體時,眼里都是“后浪(第三代)強勁,怕是遲早要打死前浪(第一代、第二代)”。但其實,這是個誤會,正如蘿卜青菜各有所愛一樣,第一、第二、第三代都有它所適合的領域,在未來很長很長的時間內都將共存。

半導體

半導體一代更比一代好?誤會!

國內的第三代半導體材料的說法其實是依照人類歷史上由于新的半導體材料的大規模應用帶來的三次產業革命,大量的新產業在此過程中出現。時至今日,三代半導體材料依然是各行其道,差異化發展。

1代:硅、鍺的應用,推動了數字電路及其相關產業的興起,目前代表產品是硅;第2代:砷化鎵、磷化銦的應用,推動了通信等一系列產業的發展;第3代:氮化鎵、碳化硅等半導體材料的應用,目前能看到的是直接推動了半導體照明、顯示、電力汽車等一系列產業的發展。

因為翻譯的誤會,半導體以“代”做了分類木已成舟,其實,將如果將“代”改成第一類、第二類、第三類來表達三大類不同的半導體或許更為準確,更能顯示“不同類別半導體,應有范疇有所不同”的客觀區別。

后浪強勁,但硅不在乎!

盡管后浪很強勁,但在某些領域,“硅”的地位依然是不可撼動的。其他半導體可以有更高的電子流動速度、更寬的能帶,更高的光子發射能量,及其他看起來牛得不行的指數,但硅不在乎呀,因為沒有任何一個半導體材料能在可靠性和整體性能上和硅對壘,因此在邏輯器件領域,Si依然無敵,唯有高度可靠的硅才能完成可靠的數據運算任務。

半導體

只有完美,可靠的硅,才配得上CPU

那為啥第三代半導體更受寵?

既然前文說了,不同代的半導體材料其實是共存的,它們依然在不同領域各自發光發熱。那為啥第三代半導體貌似收到得的關注更多甚至是受到國家政府的大力扶持(據聞第三代半導體寫入十四五規劃已是大概率事件)?原因主要有如下四個:

第一,第三代半導體相比較第一代第二代半導體處于發展初期,國內和國際巨頭基本處于同一起跑線。

第二,中國有第三代半導體的應用市場,可以根據市場定義產品,而不是像之前跟著國際巨頭做國產化替代。

第三,第三代半導體難點不在設備、不在邏輯電路設計,而在于工藝,工藝開發具有偶然性,相比較邏輯芯片難度降低。

第四,對設備要求相對較低,投資額小,國內可以有很多玩家。在資本的推動下,可以全國遍地開花,最終走出來幾家第三代半導體公司的概率很大。

備注:寫進十四五規劃意味著,2021到2025年的五年之內,我們將舉全國之力,在教育、科研、開發、融資、應用等等各個方面對第三代半導體發展提供廣泛支持。

目前國內業界所說的第三代半導體材料,基本上相當于國際上的寬禁帶半導體材料,是以碳化硅和氮化鎵為代表的一些先進半導體材料的統稱。我們知道第三代半導體最大特點便是寬禁帶(Wide Band-Gap,WBG)。我們耳熟能詳的硅材料的禁帶寬度為1.12電子伏特(eV),WBG半導體材料的禁帶寬度則達到了2.3eV及以上,高禁帶寬度帶來的好處是,器件能夠耐高壓、耐高溫,并且功率大、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低。

半導體

因此目前第三代半導體主要應用方向有:光電子(發光)、電力電子(電能轉換)、微波射頻(通訊),其材料體系主要有III 族氮化物、碳化硅SiC、寬禁帶氧化物、金剛石。

① III 族氮化物:典型代表GaN,在軍事領域GaN基微波功率器用于雷達、電子對抗、導彈和無線通信通;在民用商業領域用于基站、衛星通信、有線電視、手機充電器等小家電。

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引人群眾關注的氮化鎵快充頭、個子小但充電賊快

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②碳化硅SiC:民用領域電動汽車、消費電子、新能源、軌道交通等領域的直流、交流輸變電、溫度檢測控制等。例如三菱電機在逆變器用碳化硅開發出世界最小馬達。2015年豐田汽車用碳化硅MOSFET的凱美瑞試驗車,逆變器開關損耗降低30%。當然最引人注目的還是在其在新能源汽車及其配套領域的應用潛力,特斯拉為了追求行駛里程僅5%的提升,不惜貴幾倍的代價在業界率先全面采用碳化硅(SiC)替代IGBT。由于特斯拉的引導效應,碳化硅作為功率器件在地球上的普及可能被提速了一倍。這不僅對電車產業,也對其它行業的節能產生了巨大而積極的推動作用。

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其實干好功率器件這一件事情就足以讓碳化硅受寵

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③寬禁帶氧化物,典型代表氧化鋅ZnO:用于壓力傳感器、記憶存儲器、柔性電子器件,目前技術和應用還有很大發展空間,主要產品有發光二極管、激光、納米發電機、納米線晶體管、紫外探測器等。

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氧化鋅

④金剛石:用于光電子、生物醫學、航空航天、核能等領域的大功率紅外激光器探測器,技術和應用還在開發中。

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金剛石真是個集美貌與智慧一身的好材料

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金剛石半導體特性

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