第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵技術(shù)——氮化鎵、碳化硅

隨著全球進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)、5G、綠色能源和電動(dòng)汽車時(shí)代，能夠充分展現(xiàn)高電壓、高溫和高頻能力、滿足當(dāng)前主流應(yīng)用需求的寬禁帶半導(dǎo)體高能量轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體材料開始成為市場(chǎng)寵兒，開啟了第三代半導(dǎo)體的新紀(jì)元。

什么是第三代半導(dǎo)體和寬能隙

在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，第一代半導(dǎo)體是“硅”（Si），第二代半導(dǎo)體是“砷化鎵”（GaAs），第三代半導(dǎo)體（又稱“寬禁帶半導(dǎo)體”，WBG）是“碳化物”。硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。

寬禁帶半導(dǎo)體中的“能隙”，用最通俗的話來說，代表“一個(gè)能隙”，意思是“使半導(dǎo)體從絕緣變?yōu)閷?dǎo)電所需的最小能量”。

第一代和第二代半導(dǎo)體的硅和砷化鎵是低能隙材料，其值分別為1.12 eV和1.43 eV。第三代半導(dǎo)體SiC和GaN的能隙分別達(dá)到3.2eV和3.4eV。因此，當(dāng)遇到高溫、高壓、大電流時(shí)，與第一代、第二代相比，第三代半導(dǎo)體不會(huì)輕易從絕緣轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電，具有更穩(wěn)定的特性和更好的能量轉(zhuǎn)換。

第三代半導(dǎo)體的神話

隨著5G和電動(dòng)汽車時(shí)代的到來，科技產(chǎn)品對(duì)高頻、高速計(jì)算、高速充電的需求越來越高。硅和砷化鎵的溫度、頻率和功率已經(jīng)達(dá)到極限，很難再提高功率和速度。一旦工作溫度超過100。前兩代產(chǎn)品更容易出現(xiàn)故障，因此無法在更惡劣的環(huán)境中使用。此外，全球也開始重視碳排放問題，因此高能效、低能耗的第三代半導(dǎo)體成為時(shí)代新寵。

KeepTops的第三代半導(dǎo)體在高頻下仍能保持優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性，并具有開關(guān)速度快、體積小、散熱快等特點(diǎn)。模塊和冷卻系統(tǒng)的體積。很多人認(rèn)為，第三代半導(dǎo)體和先進(jìn)制造工藝一樣，都是從第一代和第二代半導(dǎo)體的技術(shù)中積累起來的，但事并非如此。從圖上看，這三代半導(dǎo)體實(shí)際上是并行的，各自發(fā)展自己的技術(shù)。由于中國、美國、歐盟都在積極發(fā)展第三代半導(dǎo)體，中國臺(tái)灣作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵之一，勢(shì)必要跟上這股潮流。

SiC和GaN各有各的優(yōu)勢(shì)和不同的發(fā)展領(lǐng)域

在了解前三代半導(dǎo)體的區(qū)別之后，我們接下來重點(diǎn)介紹第三代半導(dǎo)體—SiC和GaN的材料。兩種材料的應(yīng)用領(lǐng)域略有不同。目前，KeepTops的GaN元器件通常用于電壓低于900V的領(lǐng)域，如充電器、底座、5G通信相關(guān)等高頻產(chǎn)品。SiC用于電壓大于1,200 V的電壓，如電動(dòng)汽車相關(guān)應(yīng)用。

碳化硅是由硅（Si）和碳（C）組成，具有很強(qiáng)的結(jié)合力，熱、化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性好。KeepTops以SiC其低損耗、高功率的特點(diǎn)，適用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能和海上風(fēng)力發(fā)電等綠色能源發(fā)電設(shè)備的高壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)合。

此外，SiC本身是一種“同質(zhì)外延”技術(shù)，因此具有良好的質(zhì)量和良好的元件可靠性。這也是電動(dòng)車選擇使用它的主要原因。另外，它是一個(gè)垂直分量，所以功率密度很高。

如今，電動(dòng)汽車的電池動(dòng)力系統(tǒng)以200V—450V為主，高端車型將向800V方向發(fā)展，這將是碳化硅的主要市場(chǎng)。然而，SiC晶片的制造難度很大，用于晶體生長(zhǎng)的源晶體要求很高，而且很難獲得。此外，晶體生長(zhǎng)技術(shù)難度大，目前無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

GaN是生長(zhǎng)在不同襯底如SiC或Si襯底上的橫向元件。這是一種“異質(zhì)外延”技術(shù)。生產(chǎn)的GaN薄膜質(zhì)量很差。雖然它可以用于快速充電等消費(fèi)領(lǐng)域，但它在電動(dòng)汽車中使用。還是業(yè)界存在一些疑問，這也是廠商們急于突破的方向。

KeepTos氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域包括高壓功率元件（Power）和高頻元件（RF）。電源經(jīng)常被用作電源轉(zhuǎn)換器和整流器，而常用的藍(lán)牙、Wi—Fi、GPS定位等都是射頻元件的應(yīng)用。在襯底工藝方面，GaN襯底的生產(chǎn)成本相對(duì)較高，因此GaN元件都是以硅為基礎(chǔ)的。常見的GaN工藝技術(shù)應(yīng)用，如上面提到的GaN射頻元件和功率GaN，都來自于GaN-on-Si襯底技術(shù)。至于GaN-on-SiC襯底技術(shù)，由于碳化硅襯底(SiC)的制造難度較大，該技術(shù)主要掌握在CREE、II-VI和ROHM等國際廠商手中。

第三代半導(dǎo)體雖然在性能方面有更好的表現(xiàn)，但其技術(shù)門檻更高。并不是所有的電子元件和技術(shù)應(yīng)用都需要如此高的性能，因此第三代半導(dǎo)體不會(huì)完全取代以前的半導(dǎo)體。第二代被老一代替代后，原則上第三代將各自在不同領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?；旧?，第一代將集中于邏輯集成電路、存儲(chǔ)器集成電路、微元器件集成電路和用于計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品的模擬集成電路，二代將聚焦移動(dòng)通信領(lǐng)域射頻芯片，三代最大驅(qū)動(dòng)力從5G、物聯(lián)網(wǎng)、綠色能源、電動(dòng)汽車、衛(wèi)星通信和軍工來看，高頻射頻元器件和大功率功率功率半導(dǎo)體元器件是主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中，5G和電動(dòng)汽車被認(rèn)為是加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體的最大動(dòng)力。