第三代半导体到底是什么?氮化镓、碳化硅是关键技术?

随着世界进入物联网、5G、绿色能源、电动汽车时代，能够充分展示高压、高温、高频能力，满足当前主流应用对高能量转换效率的要求的WBG (Wide Band Gap)半导体开始成为市场的宠儿，半导体材料揭开了第三代半导体新时代的序幕。

什么是第三代半导体和宽能隙?

说到第三代半导体，我们先简单介绍一下第一代和第二代半导体。在半导体材料领域，第一代半导体是“硅”(Si)，第二代半导体是“砷化镓”(GaAs)，第三代半导体(又称“宽能隙半导体”，WBG)是“碳化硅”(SiC)和“氮化镓”(GaN)。

宽间隙半导体中的“能隙”，用最通俗的说法就是“一个能隙”，意思是“使半导体从绝缘变为导电所需的最小能量”。

第一代和第二代半导体的硅和砷化镓是低能隙材料，分别为1.12 eV和1.43 eV。第三代(宽能隙)半导体、SiC和GaN的能隙分别达到3.2 eV和3.4 eV。因此，第三代半导体在遇到高温、高压、大电流时，与第一代、第二代相比，不会轻易由绝缘变为导电，特性更稳定，能量转换更好。

第三代半导体神话

随着5G时代和电动汽车时代的到来，科技产品对高频、高速计算、高速充电的需求不断增加。硅和砷化镓的温度、频率、功率已经达到极限，难以提高功率和速度;一旦工作温度超过100。前两代产品更容易出现故障，因此不能在更恶劣的环境中使用。此外，世界开始关注碳排放问题，因此高能效、低能耗的第三代半导体成为时代的新宠。

第三代半导体在高频率下仍能保持优异的性能和稳定性，同时具有开关速度快、体积小、散热快的特点。模块和冷却系统的容积。

很多人认为，第三代半导体就像先进的制造工艺一样，是在第一代、第二代半导体的技术基础上积累起来的，但事实并非如此。从图片上看，这三代半导体实际上处于平行状态，他们开发自己的技术。由于中国、美国、欧盟都在积极发展第三代半导体，作为半导体产业链关键之一的台湾也必然会跟上这一趋势。

碳化硅与氮化镓各有优势，发展领域不同

在了解了前三代半导体的不同之后，我们将重点放在了第三代半导体的材料——SiC和GaN上。这两种材料的应用领域略有不同。目前GaN组件常用于电压在900V以下的领域，如充电器、基台、5G通信相关等高频产品;SiC的电压大于1200v，如电动汽车相关应用。

碳化硅由硅(Si)和碳(C)组成，结合力强，在热、化学和机械上都很稳定。SiC具有低损耗、高功率的特点，适用于高压大电流的应用场景，如电动汽车、电动汽车充电基础设施、太阳能和海上风力发电等绿色能源发电设备。

此外，SiC本身是一种“同质外延”技术，因此具有良好的质量和良好的组件可靠性。这也是电动汽车选择使用它的主要原因。另外，它是垂直分量，所以功率密度高。

目前电动车电池动力系统以200V-450V为主，高端车型将向800V方向发展，这将是SiC的主要市场。然而，SiC晶圆的制作难度大，生长晶圆的源晶要求高且难以获得。另外，晶体生长技术困难，目前还不能批量生产，后面会详细介绍。

GaN是一种横向元素，生长在不同的衬底上，如SiC或Si衬底。这是一种“异源外延”技术。制备的GaN薄膜质量较差。虽然它可以用于快速充电等消费领域，但它被用于电动汽车。或者行业中存在一些疑惑，也是厂商急于突破的方向。

氮化镓的应用领域包括高压功率元件(power)和高频功率元件(RF)。电源常被用作电源的变换器和整流器，而常用的蓝牙、Wi-Fi、GPS定位等都是射频组件的应用之一。一个。

在衬底技术方面，GaN衬底的生产成本较高，因此GaN组件均以硅为基础。GaN-on-SiC)双晶圆片的制备。

常见的GaN工艺应用技术，如上述的GaN射频射频组件和Power GaN，都来自GaN-on- si衬底技术;关于GaN-on-SiC基板技术，由于碳化硅基板(SiC)的制造难度较大，该技术主要掌握在国际上少数几家制造商手中，如Cree、II-VI和ROHM。

虽然第三代半导体在性能上性能更好，但其技术门槛更高，并不是所有的电子元器件和技术应用都需要这样的高性能，所以第三代半导体不会完全取代以前的半导体。在二代被老代取代后，原则上，第三代将各自在不同的领域发挥重要作用。基本上，第一代将专注于计算机和消费电子领域使用的逻辑ic、存储ic、微组件ic和模拟ic，第二代将专注于移动通信领域的射频芯片，第三代将专注于最大的驱动力来自5G、物联网、绿色能源、电动汽车、卫星通信和军事领域。而高频射频元件和大功率大功率半导体元件是其主要应用领域。其中，5G和电动汽车被认为是加快第三代半导体发展的最大动力和驱动力。