第三代半导体到底是什么?GaN、SiC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，能够充分展现高压、高温、高频能力，满足当前主流应用对高能量转换效率要求的宽带隙(WBG)半导体开始成为市场的宠儿，半导体材料拉开了第三代半导体新时代的序幕。

什么是第三代半导体和大能源缺口?

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“使半导体从绝缘到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，当遇到高温、高压、大电流时，与第一代和第二代相比，第三代半导体不会轻易从绝缘转变为导电，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、高速充电的需求增加。硅、砷化镓的温度、频率、功率均已达到极限，功率和速度难以提高;一旦操作温度超过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，世界已经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了时代的新宠。

第三代半导体在高频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、散热快等特点。模块和冷却系统的体积。

很多人认为，第三代半导体和先进制造工艺一样，都是在第一代、第二代半导体的技术基础上积累起来的，但事实并非如此。从图上看，这三代半导体其实处于并行状态，各自发展各自的技术。由于中国、美国、欧盟(eu)都在积极发展第三代半导体，作为半导体产业链关键环节之一的台湾也必将紧跟这一趋势。

SiC和GaN有各自的优势和不同的发展领域

在了解了前三代半导体的差异之后，我们接下来关注第三代半导体的材料——SiC和GaN。这两种材料的应用领域略有不同。目前，GaN元件多用于电压低于900V的领域，如充电器、基站台、5G通信相关等高频产品;SiC是一种电压大于1200v，如电动汽车相关的应用。

SiC由硅(Si)和碳(C)组成，具有很强的结合力，在热、化学和机械方面都很稳定。由于低损耗、大功率的特点，SiC适用于高电压、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。此外，它是垂直组件，因此功率密度高。

目前电动汽车的电池动力系统以200V-450V为主，高端车型将向800V发展，这将是SiC的主要市场。然而，SiC晶圆很难制造，晶体生长的源晶体要求很高，很难获得。另外晶体生长技术难度大，目前还不可能量产，后面会详细介绍。

GaN是横向元素，生长在不同的基底上，如SiC或Si基底上。这是一种“异质外延”技术。生产的GaN膜质量较差。虽然它可以用于快速充电等消费领域，但它用于电动汽车。或者行业内存在一些质疑，也是厂商急于突破的方向。

GaN的应用领域包括高压功率元件(power)和高频元件(RF)。电源通常用作电源转换器和整流器，而常用的蓝牙、Wi-Fi和GPS定位都是射频组件的应用。一个。

在衬底技术方面，GaN衬底的生产成本相对较高，因此GaN元件均以硅为基材。制作了GaN-on-SiC)两个晶圆。

常见的GaN工艺技术应用，如上述的GaN RF射频组件和Power GaN，均来自GaN-on- si衬底技术;至于GaN-on-SiC衬底技术，由于碳化硅衬底(SiC)的制造难度较大，该技术主要掌握在Cree、II-VI和ROHM等少数国际厂商手中。

虽然第三代半导体在性能上有更好的表现，但其技术门槛更高，并不是所有的电子元件和技术应用都需要如此高的性能，因此第三代半导体不会完全取代以前的。在第二代人被老一辈人取代之后，原则上第三代人将在不同的领域发挥重要作用。基本上，第一代将专注于用于计算机和消费电子产品的逻辑ic、存储ic、微型组件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、IoT、绿色能源、电动汽车、卫星通信和军事领域，其中高频射频元件和大功率功率半导体元件是主要应用领域。其中，5G和电动汽车被视为加速第三代半导体发展的最大驱动力和驱动力。