半導體材料歷史機遇正在迎面而來,未來可期,第三代將橫空出世,在科技電子領域舉足輕重!
第一代半導體材料它們在國際信息產業技術中的各類分立器件和集成電路、電子信息網絡工程等領域得到了極為廣泛的應用。
第二代半導體材料主要用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件,是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。
第三代半導體材料主要是以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶(禁帶寬度 Eg>2.3eV)的半導體材料。
碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)就是典型代表,其中,碳化矽的優勢在高溫、大電壓領域,可以用於電力、高鐵、新能源汽車;氮化鎵的優勢在高頻、小電壓領域,可以用於手機、5G通信。一個解決了高壓,一個解決了高頻。
所以第三代半導體為什麼大有可為,因為其應用領域,如新能源汽車、5G通信,甚至包括高鐵、軍工,都是剛需,而且它們的性能是第一代矽基半導體無法替代的。第三代半導體的發展具有很強的確定性,只要新能源趨勢不變,5G趨勢不變,需求肯定旺盛,未來保持2位數增長是板上釘釘的事。
隨著通信要求越來越高,比如5G,第二代半導體還是不能滿足要求。5G時代的要求是2個,高壓和高頻。比如能源,現在電力要遠距離傳輸,充電寶要大容量,再比如通信,信息量很大,要能夠手機看高清視頻,那就要求傳輸器件上的半導體要能承受高壓,但矽是做不到的。另外就是高頻,信息傳輸速度加快,半導體要有更快的開關速度,矽也做不到,所以第三代半導體材料就出現了。
寬禁帶半導體是高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的適合材料。與第一代和第二代半導體材料相比,第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力,更適合製作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。從目前第三代半導體材料及器件的研究來看,較為成熟的第三代半導體材料是SiC和GaN,而ZnO、金剛石、氮化鋁等第三代半導體材料的研究尚屬起步階段。
SiC現已公認為是一種能夠可靠替代矽的技術。許多電源模塊和電源逆變器製造商已在其未來產品路線圖中規劃使用SiC技術。
這種寬禁帶技術大幅降低了特定負載下的開關損耗和傳導損耗,改善了散熱管理,提供了前所未有的能效。在功率電子系統中,散熱設計至關重要,它能確保高能量密度,同時縮小電路尺寸。在這些應用中,SiC因其3倍於矽半導體的導熱係數而成為理想的半導體材料。
SiC技術適用於功率較高的項目,例如電動機、驅動器和逆變器。電驅動器製造商正在開發新的驅動電路,以滿足轉換器對更高開關頻率的需求,並採用更複雜巧妙的拓撲結構來減小電磁幹擾(EMI)。
SiC器件所需的外部元器件更少,系統布局更可靠,製造成本也更低。由於效率更高、外形尺寸更小以及重量更輕,智能設計的冷卻要求也相應降低。
作為第三代半導體材料的氮化鎵(GaN),是一種堅硬的高熔點(熔點約為1700℃)材料,具有高頻、高效率、耐高壓等特性,用於製作多種功率器件和晶片。
GaN材料與Si/SiC相比有獨特優勢,它擁有類似SiC性能優勢的寬禁帶材料,但擁有更大的成本控制潛力。與傳統Si材料相比,基於GaN材料製備的功率器件擁有更高的功率密度輸出,以及更高的能量轉換效率,並可以使系統小型化、輕量化,有效降低電力電子裝置的體積和重量,從而極大降低系統製作及生產成本。
氮化鎵在半導體材料領域的研究已經持續多年,近期廣為人知,是因為它可以用在充電器中。
今年2月,小米發布新品,其中65WGaN充電器成為一大亮點。
這款充電器易散熱、充電快(比iphone原裝快50%,從0到100%的電量只需45分鐘)、體積小(比常規充電器小了50%),且售價只要149元,性價比較高。3天預約就超5萬,一時間,這一黑科技產品站上了風口,氮化鎵也因此引發市場的強烈關注。
不過這並不是第一款氮化鎵充電器,早在去年四季度,OPPO就發布了全球首款65WGaN充電器。兩家大廠相繼布局,意味著技術已經進一步成熟。
而且,氮化鎵充電器並不僅僅用於手機充電。更小、更便捷的GaN充電器是解放筆記本的一大利器。未來,筆記本、新能源車或許都會用到氮化鎵充電器。充電市場並非氮化鎵功率器件的唯一用武之地,它還應用於光電、射頻領域。
非常值得一提的是,在射頻領域,氮化鎵射頻器件適合高頻高功率場景,是5G時代的絕佳產品,將替代Si基晶片,應用在5G基站、衛星通信、軍用雷達等場景。
5G基站的建設迎來高峰,相應的各種射頻器件、晶片數量和質量都在提升,市場需求旺盛。氮化鎵工藝正在逐步佔領市場,已經勢不可擋。拓璞產業研究院預計到2023年基站端GaN射頻器件規模達到頂峰,達到112.6億元。
再加上衛星通信、軍用雷達的市場,據預測GaN射頻市場將從2018年的6.45億美元增長到2024年的約20億美元。
另外,GaN基紫外雷射器在紫外光固化、紫外殺菌等領域有重要的應用價值。疫情當前,中美都啟用了基於GaN的紫外光進行消毒殺菌,相關市場隨之增長。