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第三代半导体晶圆才是未来!
2020年11月27日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:425
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在刚刚结束的2020导热粉体材料创新论坛上,5G可谓是炙手可热备受关注,近几年各头部企业的大动静也纷纷展露了它们在5G时代的布局与野心,而其中最热门之一的便是处于核心的半导体材料了。

5G

由于第三代半导体材料在制造高温、高频、抗辐射及大功率器件方面有优势,比如5G通讯、汽车IGBT芯片、物流网等微波通讯领域,所以业内人士都认为在5G时代、人工智能时代,第三代半导体材料将会迎来大发展。

什么是第三代半导体?

第一代半导体材料是以硅(Si)为代表,其典型应用是集成电路,主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中

第二代半导体以砷化镓(GaAs)为代表砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍,具有直接带隙,故其器件相对硅器件具有高频、高速的光电性能这是为4G时代而生,公认为是很合适的通信用半导体材料由于第二代半导体材料的禁带宽度不够大,击穿电场较低,极大的限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。GaAs材料的毒性可能引起环境污染问题,对人类健康存在潜在的威胁。

第三代半导体则是以以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等为代表,其禁带宽度大,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,而且在高电压、高频率状态下更为可靠,此外还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力因此第三代半导体才是5G时代的标配。

半导体材料在晶圆领域的应用

晶圆(wafer)是制造半导体器件的基础性原材料。极高纯度的半导体经过拉晶、切片等工序制备成为晶圆,晶圆经过一系列半导体制造工艺形成极微小的电路结构,再经切割、封装、测试成为芯片,广泛应用到各类电子设备当中。晶圆材料经历了60余年的技术演进和产业发展,形成了当今以硅为主、新型半导体材料为补充的产业局面。

硅储量极其丰富,提纯与结晶工艺成熟,并且氧化形成的二氧化硅(SiO2)薄膜绝缘性能好,使得器件的稳定性与可靠性大为提高,因而硅已经成为应用最广的一种半导体材料。目前全球95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料。

但是Si材料有其局限性,它的物理性质限制了其在光电子和高频、高功率器件上的应用,如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率。且其带隙宽度较窄(1.12 eV)饱和电子迁移率较低(1450 cm2/V·s),不利于研制高频和高功率电子器件。

第三代半导体材料因禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV),又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,是半导体材料领域最有前景的材料,在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景,在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,对人类科技的发展具有里程碑的意义。

几种常用半导体性能对比

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第三代半导体的击穿场强均远高于Si,这意味着在相同耐压级别条件下,Si衬底必须要做得比较厚,而且耐压越高厚度就会越厚,导致材料成本更高,而且不利于电子器件的减薄。在栅极和漏极间有一个电压隔离区,这个区越宽,内阻越大,功率损耗越多,若换成以第三代半导体作为衬底,就可以将这个区域做得更薄,降低整体厚度,同时漂移区阻值降低。

导通电阻小了,能量损耗也就小了,性能得到提升。

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第三代半导体应用最广的两种材料:GaN & SiC

但受限于技术难度,几种材料目前在晶圆尺寸上技术发展不一。

硅晶圆尺寸最大达12寸,化合物半导体晶圆尺寸最大为6英寸。

8寸是常用的成熟制程晶圆,当前主流正在往12英寸转移,18英寸硅晶圆也在研发中;GaAs衬底主流尺寸为4英寸及6英寸SiC衬底主流供应尺寸为2英寸及4英寸GaN自支撑衬底以2英寸为主。

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总体来说,第三代半导体产业目前主要处于国外企业垄断的局面不过制备技术进步使得碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件成本不断下降,性价比优势将充分显现

从增量来源来看,5G、光伏智能电网、新能源汽车等是主要的应用方向,这些主要市场对半导体技术要求很高,属于前沿技术。极速5分快三第三代半导体从材料,到设计,再到晶圆制造都是起步阶段。除了国内个别企业有成熟的第三代半导体设计能力,产品可以批量出货,其他还是小批量阶段。

但相对来说,第三代半导体相比较第一代第二代半导体处于发展初期,国内和国际巨头在这项新兴产业上都仍在技术积累和突破的阶段,而极速5分快三目前正处于芯片国产替代化的关键时期,有大量的应用市场,缩短技术差距甚至弯道超车,在当前的5G大时代来临之机,大有可为。


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