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第1、第2、第3代半导体材料,后浪强劲但打不死前浪
2020年12月14日 发布 分类:行业要闻 点击量:2948
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许多人在谈到第三代半导体时,眼里都是“后浪(第三代)强劲,怕是迟早要打死前浪(第一代、第二代)”。但其实,这是个误会,正如萝卜青菜各有所爱一样,第一、第二、第三代都有它所适合的领域,在未来很长很长的时间内都将共存。

半导体

半导体一代更比一代好?误会!

国内的第三代半导体材料的说法其实是依照人类历史上由于新的半导体材料的大规模应用带来的三次产业革命,大量的新产业在此过程中出现。时至今日,三代半导体材料依然是各行其道,差异化发展。

1代:硅、锗的应用,推动了数字电路及其相关产业的兴起,目前代表产品是硅;第2代:砷化镓、磷化铟的应用,推动了通信等一系列产业的发展;第3代:氮化镓、碳化硅等半导体材料的应用,目前能看到的是直接推动了半导体照明、显示、电力汽车等一系列产业的发展。

因为翻译的误会,半导体以“代”做了分类木已成舟,其实,将如果将“代”改成第一类、第二类、第三类来表达三大类不同的半导体或许更为准确,更能显示“不同类别半导体,应有范畴有所不同”的客观区别。

后浪强劲,但硅不在乎!

尽管后浪很强劲,但在某些领域,“硅”的地位依然是不可撼动的。其他半导体可以有更高的电子流动速度、更宽的能带,更高的光子发射能量,及其他看起来牛得不行的指数,但硅不在乎呀,因为没有任何一个半导体材料能在可靠性和整体性能上和硅对垒,因此在逻辑器件领域,Si依然无敌,唯有高度可靠的硅才能完成可靠的数据运算任务。

半导体

只有完美,可靠的硅,才配得上CPU

那为啥第三代半导体更受宠?

既然前文说了,不同代的半导体材料其实是共存的,它们依然在不同领域各自发光发热。那为啥第三代半导体貌似收到得的关注更多甚至是受到国家政府的大力扶持(据闻第三代半导体写入十四五规划已是大概率事件)?原因主要有如下四个:

第一,第三代半导体相比较第一代第二代半导体处于发展初期,国内和国际巨头基本处于同一起跑线。

第二,中国有第三代半导体的应用市场,可以根据市场定义产品,而不是像之前跟着国际巨头做国产化替代。

第三,第三代半导体难点不在设备、不在逻辑电路设计,而在于工艺,工艺开发具有偶然性,相比较逻辑芯片难度降低。

第四,对设备要求相对较低,投资额小,国内可以有很多玩家。在资本的推动下,可以全国遍地开花,最终走出来几家第三代半导体公司的概率很大。

备注:写进十四五规划意味着,2021到2025年的五年之内,我们将举全国之力,在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面对第三代半导体发展提供广泛支持

目前国内业界所说的第三代半导体材料,基本上相当于国际上的宽禁带半导体材料,是以碳化硅和氮化镓为代表的一些先进半导体材料的统称。我们知道第三代半导体最大特点便是宽禁带(Wide Band-Gap,WBG)。我们耳熟能详的硅材料的禁带宽度为1.12电子伏特(eV),WBG半导体材料的禁带宽度则达到了2.3eV及以上高禁带宽度带来的好处是,器件能够耐高压、耐高温,并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。

半导体

因此目前第三代半导体主要应用方向有:光电子(发光)、电力电子(电能转换)、微波射频(通讯),其材料体系主要有III 族氮化物、碳化硅SiC、宽禁带氧化物、金刚石

① III 族氮化物:典型代表GaN,在军事领域GaN基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信通;在民用商业领域用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电。

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②碳化硅SiC:民用领域电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。例如三菱电机在逆变器用碳化硅开发出世界最小马达。2015年丰田汽车用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车,逆变器开关损耗降低30%。当然最引人注目的还是在其在新能源汽车及其配套领域的应用潜力,特斯拉为了追求行驶里程仅5%的提升,不惜贵几倍的代价在业界率先全面采用碳化硅(SiC)替代IGBT。由于特斯拉的引导效应,碳化硅作为功率器件在地球上的普及可能被提速了一倍。这不仅对电车产业,也对其它行业的节能产生了巨大而积极的推动作用。

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其实干好功率器件这一件事情就足以让碳化硅受宠

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③宽禁带氧化物,典型代表氧化锌ZnO:用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件,目前技术和应用还有很大发展空间,主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等。

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氧化锌

④金刚石:用于光电子、生物医学、航空航天、核能等领域的大功率红外激光器探测器,技术和应用还在开发中。

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金刚石真是个集美貌与智慧一身的好材料

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金刚石半导体特性

编辑:Focus


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