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以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體將迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)

2021-01-05 10:11  來(lái)源:解放日?qǐng)?bào)  瀏覽:  

日前,阿里巴巴達(dá)摩院預(yù)測(cè)了2021年科技趨勢(shì),其中位列第一的是以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體將迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)。第三代半導(dǎo)體與前兩代有什么不同?為何這兩年會(huì)成為爆發(fā)的節(jié)點(diǎn)?第三代半導(dǎo)體之后,什么材料會(huì)再領(lǐng)風(fēng)騷?記者采訪了專家。

禁帶寬度,是用來(lái)區(qū)分不同代際半導(dǎo)體的關(guān)鍵參數(shù)。

作為第三代半導(dǎo)體,氮化鎵和碳化硅的禁帶寬度分別為3.39電子伏特和3.26電子伏特,較高的禁帶寬度非常適合高壓器件應(yīng)用。氮化鎵電子飽和速度高,是硅的2.5倍,是砷化鎵的2倍,非常適合做微波器件,比如手機(jī)內(nèi)的射頻前端放大器、5G基站以及微波雷達(dá)。微波雷達(dá)并不限于應(yīng)用在航天航空和國(guó)防領(lǐng)域,將來(lái)在新能源汽車自動(dòng)駕駛里也有應(yīng)用潛力,可利用它精確感知障礙物,指導(dǎo)自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整。

此外,氮化鎵還可用做功率開關(guān)器件,開關(guān)速度越快,電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)就可以做得更小,功耗也能降低。手機(jī)充電器里就有功率開關(guān)器件,可以把220伏的交流電轉(zhuǎn)化為5伏直流電,然后給手機(jī)充電。“現(xiàn)在受到歡迎的小型快速充電器,就用了氮化鎵功率開關(guān)器件,未來(lái)還有望用于無(wú)線充電器。”

不過,氮化鎵也有局限,需要在藍(lán)寶石、硅、碳化硅等襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)。由于材料不同,熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)不匹配,會(huì)造成異質(zhì)外延材料缺陷高。這時(shí)候,碳化硅的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)了。碳化硅晶體可以在碳化硅襯底上同質(zhì)生長(zhǎng),缺陷密度低,可以充分發(fā)揮碳化硅耐高壓特性,器件耐壓能力很容易達(dá)到1200伏—1700伏。碳化硅功率開關(guān)器件適合高溫、高壓、大功率應(yīng)用場(chǎng)景,未來(lái)將與“基于硅的絕緣柵雙極晶體管”形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),目前主要應(yīng)用在電動(dòng)車和充電樁。“碳化硅已經(jīng)用于特斯拉電動(dòng)車,將來(lái)也適用于電網(wǎng)、機(jī)車牽引以及航天航空領(lǐng)域。”

第三代半導(dǎo)體之前僅小范圍應(yīng)用,為何這兩年會(huì)成為爆發(fā)的節(jié)點(diǎn)?“其實(shí)我國(guó)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)能力并不弱,比如,華為就自主研發(fā)了7納米麒麟芯片。我國(guó)的集成電路行業(yè)‘短板’主要集中在原材料、設(shè)計(jì)軟件和制造設(shè)備上,所以才導(dǎo)致小尺寸硅集成電路加工受制于人。而第三代半導(dǎo)體,器件完全可以采用現(xiàn)有的大尺寸器件加工平臺(tái)完成,例如,功率開關(guān)器件,只需0.35微米—0.5微米加工工藝,制造線稍加改造調(diào)整即可。第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用大爆發(fā),也可以看作是‘彎道超車’,希望我們國(guó)家在這方面贏得時(shí)機(jī),跑在前面。”專家稱。據(jù)介紹,中車集團(tuán)和上海積塔半導(dǎo)體都在建設(shè)6英寸碳化硅生產(chǎn)線。

第三代半導(dǎo)體之后,什么材料會(huì)再領(lǐng)風(fēng)騷?“絕緣體的禁帶寬度很大,很難通過摻雜使其導(dǎo)電。但近年來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,有些絕緣體也可以當(dāng)作半導(dǎo)體使用,因此被認(rèn)為是第3.5代半導(dǎo)體。”

比如,金剛石和氮化鋁,它們的禁帶寬度分別為5.45電子伏特和6.2電子伏特,非常適合于高溫、高輻射等極端環(huán)境下的功率開關(guān)器件應(yīng)用。“不過,要想合成單晶、大尺寸的金剛石還非常困難,道路還很長(zhǎng)。”專家說(shuō)。


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