第三代半导体将迎大爆发?第三代半导体之后什么材料会再领风骚?

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日期:2021-01-05 09:57:26    来源:解放日报    

日前,阿里巴巴达摩院预测了2021年科技趋势,其中位列第一的是以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体将迎来应用大爆发。第三代半导体与前两代有什么不同?为何这两年会成为爆发的节点?第三代半导体之后,什么材料会再领风骚?记者采访了专家。

禁带宽度,是用来区分不同代际半导体的关键参数。

作为第三代半导体,氮化镓和碳化硅的禁带宽度分别为3.39电子伏特和3.26电子伏特,较高的禁带宽度非常适合高压器件应用。氮化镓电子饱和速度高,是硅的2.5倍,是砷化镓的2倍,非常适合做微波器件,比如手机内的射频前端放大器、5G基站以及微波雷达。微波雷达并不限于应用在航天航空和国防领域,将来在新能源汽车自动驾驶里也有应用潜力,可利用它精确感知障碍物,指导自动驾驶数据及时调整。

此外,氮化镓还可用做功率开关器件,开关速度越快,电源转换系统就可以做得更小,功耗也能降低。手机充电器里就有功率开关器件,可以把220伏的交流电转化为5伏直流电,然后给手机充电。“现在受到欢迎的小型快速充电器,就用了氮化镓功率开关器件,未来还有望用于无线充电器。”

不过,氮化镓也有局限,需要在蓝宝石、硅、碳化硅等衬底上异质外延生长。由于材料不同,热膨胀系数和晶格常数不匹配,会造成异质外延材料缺陷高。这时候,碳化硅的优势就显现出来了。碳化硅晶体可以在碳化硅衬底上同质生长,缺陷密度低,可以充分发挥碳化硅耐高压特性,器件耐压能力很容易达到1200伏—1700伏。碳化硅功率开关器件适合高温、高压、大功率应用场景,未来将与“基于硅的绝缘栅双极晶体管”形成市场竞争,目前主要应用在电动车和充电桩。“碳化硅已经用于特斯拉电动车,将来也适用于电网、机车牵引以及航天航空领域。”

第三代半导体之前仅小范围应用,为何这两年会成为爆发的节点?“其实我国的半导体设计能力并不弱,比如,华为就自主研发了7纳米麒麟芯片。我国的集成电路行业‘短板’主要集中在原材料、设计软件和制造设备上,所以才导致小尺寸硅集成电路加工受制于人。而第三代半导体,器件完全可以采用现有的大尺寸器件加工平台完成,例如,功率开关器件,只需0.35微米—0.5微米加工工艺,制造线稍加改造调整即可。第三代半导体的应用大爆发,也可以看作是‘弯道超车’,希望我们国家在这方面赢得时机,跑在前面。”专家称。据介绍,中车集团和上海积塔半导体都在建设6英寸碳化硅生产线。

第三代半导体之后,什么材料会再领风骚?“绝缘体的禁带宽度很大,很难通过掺杂使其导电。但近年来随着技术的不断发展,有些绝缘体也可以当作半导体使用,因此被认为是第3.5代半导体。”

比如,金刚石和氮化铝,它们的禁带宽度分别为5.45电子伏特和6.2电子伏特,非常适合于高温、高辐射等极端环境下的功率开关器件应用。“不过,要想合成单晶、大尺寸的金刚石还非常困难,道路还很长。”专家说。

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