第一代半導體取代了笨重的電子管,帶來了以集成電路為核心的微電子工業的發展和整個 IT 產業的飛躍,廣泛應用於信息處理和自動控製等領域。盡管矽擁有很多優越的電子特性,但這些特性已經快被用到極限,科學家一直在尋找能替代矽的半導體材料,以製造未來的電子設備,隨後化合物半導體橫空出世。

近年來,隨著功率半導體器件、工業半導體、汽車電力電子等領域的空前發展,第三代半導體材料越發凸顯其重要性與優越性。目前發達國家都將第三代半導體材料及相關器件等的發展列為半導體重要新興技術領域。

AI芯天下|第三代半導體材料是化合物半導體的新機遇

第三代半導體材料主要應用領域

作為一類新型寬禁帶半導體材料,第三代半導體材料在許多應用領域擁有前兩代半導體材料無法比擬的優點:如具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點,可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力,被譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”,是光電子和微電子等產業的“新發動機”。

此外,第三代半導體材料還具有廣泛的基礎性和重要的引領性。從目前第三代半導體材料和器件的研究來看,較為成熟的是氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)半導體材料,也是最具有發展前景的兩種材料。

從應用範圍來說,第三代半導體領域還具有學科交叉性強、應用領域廣、產業關聯性大等特點。在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域擁有廣闊的應用前景,是支撐信息、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料。

在巨大優勢和光明前景的刺激下,目前全球各國均在加大馬力布局第三代半導體領域,但我國在寬禁帶半導體產業化方麵進度還比較緩慢,寬禁帶半導體技術亟待突破。

不同化合物半導體應用領域

①GaAs 占大頭,主要用於通訊領域,全球市場容量接近百億美元,主要受益通信射頻芯片尤其是 PA 升級驅動;

②GaN 大功率、高頻性能更出色,主要應用於軍事領域,目前市場容量不到 10 億美元,隨著成本下降有望迎來廣泛應用;

③SiC 主要作為高功率半導體材料應用於汽車以及工業電力電子,在大功率轉換應用中具有巨大的優勢。

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化合物半導體材料優勢顯著

隨著半導體器件應用領域的不斷擴大,特別是特殊場合要求半導體能夠在高溫、強輻射、大功率等環境下性能依然保持穩定,第一代和第二代半導體材料便無能為力,於是第三代半導體材料。

第三代半導體主要包括氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)。

與第一代、第二代半導體材料相比,第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等優點,可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求,從其材料優越性來看,頗具發展潛力,相信隨著研究的不斷深入,其應用前景將十分廣闊。

SOI 的一個特殊子集是藍寶石上矽工藝,在該行業中通常稱為 Ultra CMOS。目前,Ultra CMOS 是在標準 6 英寸工藝設備上生產的,8 英寸生產線亦已試製成功。示範成品率可與其它 CMOS 工藝相媲美。

GaAs 生產方式和傳統的矽晶圓生產方式存在較大差異,采用磊晶技術製造,磊晶圓直徑隻有 4-6 英寸,而傳統矽晶圓直徑為 12 英寸,對技術和操作精度有較大提升;此外,磊晶圓生產需專門設備,這就使砷化镓技術成本高於傳統矽基技術。磊晶目前有兩種,一種是化學的 MOCVD,一種是物理的 MBE。

GaN 則是在 GaAs 基礎上的再升級,性能更優越,適用於微電子領域和光電子領域。在微電子領域主要為無線通訊、光通訊、無線局域 網、汽車電子產品、軍事電子產品等方麵;光電子領域為射頻 IC,具體體現為 PA、LNA 等通信元件。

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有望全麵取代傳統半導體

從應用領域來看,第一代半導體矽(Si),主要應用在數據運算領域,第二代半導體砷化镓(GaAs),主要應用在通信領域,兩者都有一定的局限性。

第三代寬禁帶半導體碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN),以其高溫下的穩定性、高效的光電轉化能力、更低的能量損耗等絕對優勢,可以被廣泛應用在各個領域,無論是消費電子設備、照明、新能源汽車、風力發電機、飛機發動機,還是導彈和衛星,都對這種高性能的半導體有著極大的期待,未來有望全麵取代傳統半導體材料。

第三代半導體材料已展現出極其重要的戰略性應用價值,有望突破第一、二代半導體材料應用技術的發展瓶頸,創新開拓時代需求的新技術領域,不僅在信息領域,而且進入到能源領域發揮極為重要的作用。

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國內化合物半導體需求放量

由於其具有禁帶寬、擊穿電場強度高、飽和電子遷移率高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強等優點,可廣泛應用於新能源汽車、軌道交通、智能電網、新一代移動通信、消費類電子等領域,被視為支撐能源、交通、信息、國防等產業發展的核心技術,已成為美國、歐洲、日本半導體行業的重點研究方向。

半導體技術在不斷提升,端設備對於半導體器件性能、效率、小型化要求的越來越高。尋找矽(Si)以外新一代的半導體材料也隨之變得更加重要。在50多年前被廣泛用於LED產品的氮化镓(GaN),再次走入大眾視野。特別是隨著5G的即將到來,也進一步推動了以氮化镓代表的第三代半導體材料的快速發展。

國際半導體企業決心將其優勢擴延至第三代化合物半導體。中國作為全球最大的移動通信市場和新能源汽車市場,要實現新興產業的自主化,就必須擺脫國外“芯片禁運”的禁錮,因此實現化合物半導體產業本土化勢在必行。

隨著市場需求的增長和政策的支持,越來越多企業涉足這一領域。較之海外以 IDM 為主,當前國內廠商普遍選擇代工模式,目前國內已初步打造化合物半導體 PA“上遊(晶圓)+中遊(設計、生產、封裝、測試)+ 下遊(客戶)”產業鏈。相比於 IDM,代工門檻更低、擴產相對容易且風險較小。

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結尾:

5G通訊意味著流量增長、寬帶升級與頻率提高,對於基站端與終端的應用場景提出了全新挑戰,通訊組件與電子器件必須適應更高頻、更高溫、更高功率的環境,因此,化合物半導體成為5G通信的關鍵技術。

不僅是5G通信,新能源汽車、物聯網等諸多新興市場均對化合物半導體提出新需求。可以預見的是,第三代半導體材料是化合物半導體的新機遇,也是其重要的組成部分和發揮性能的關鍵要素。