第三代半导体的特点与选型要素

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第三代半导体器件在方案设计和工程师选型中越来越重要,不再是隔水观望或锦上添花的初期时代。如果说砷化镓(GaAs)器件在通讯和PA的应用主要在手机和通讯设备,仅对头部通讯设备制造有关系。那么碳化硅(SiC)进入电源、快充和汽车电子的迅猛势头,与方案商和中小设备制造商就有重大关系。我们梳理一次第三代半导体和选型要领。

半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类,前者如硅(Si)、锗(Ge)等所形成的半导体,后者为砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等化合物形成。半导体在过去主要经历了三代变化,砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体分别作为第二代和第三代半导体的代表,相比第一代半导体高频性能、高温性能优异很多,制造成本更为高昂,可谓是半导体中的新贵。

第三代化合物半导体材料中,碳化硅(SiC)与方案商和中小设备终端制造商关系最大,它主要作为高功率半导体材料应用于电源,汽车以及工业电力电子,在大功率转换应用中具有巨大的优势。而砷化镓(GaAs)目前占大头市场,是最成熟的应用市场,主要用于通讯领域,全球市场容量接近百亿美元,主要受益通信射频芯片尤其是PA升级驱动;氮化镓(GaN)大功率、高频性能更出色,主要应用于军事领域,目前市场容量不到10亿美元,随着成本下降有望迎来广泛应用。

PART 01第三代半导体的特点

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)——并称为第三代半导体材料的双雄。

相对于Si,SiC的优点很多:有10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点,用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。42GHz频率的SiC MESFET用在军用相控阵雷达、通信广播系统中,用SiC作为衬底的高亮度蓝光LED是全彩色大面积显示屏的关键器件。

氮化镓(GaN、Galliumnitride)是氮和镓的化合物,此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。作为时下新兴的半导体工艺技术,提供超越硅的多种优势。与硅器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。

PART 02第三代半导体选型要素

第三代半导体中,SiC 与 GaN 相比较,前者相对 GaN 发展更早一些,技术成熟度也更高一些;两者有一个很大的区别是热导率,这使得在高功率应用中,SiC占据统治地位;同时由于GaN具有更高的电子迁移率,因而能够比SiC 或Si 具有更高的开关速度,在高频率应用领域,GaN具备优势。

GaN和SiC在材料性能上各有优劣,因此在应用领域上各有侧重和互补。如GaN的高频Baliga优值显著高于SiC,因此GaN的优势在高频小电力领域,集中在1000V以下,例如通信基站、毫米波等。SiC的Keye优值显著高于GaN,因此SiC的优势在高温和1200V以上的大电力领域,包括电力、高铁、电动车、工业电机等。在中低频、中低功率领域,GaN和SiC都可以应用,与传统Si基器件竞争。

GaN的应用优势:体积小、高频高功率、低能耗速度快;5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。

PART 03第三代半导体适应更多应用场景

第三代半导体适应更多应用场景。硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、稳定性好。可靠度高等特点,使得99%以上集成电路都是以硅为材料制作的。但是硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用。2G、3G 和 4G等时代PA主要材料是 GaAs,但是进入5G时代以后,主要材料是GaN。5G的频率较高,其跳跃式的反射特性使其传输距离较短。由于毫米波对于功率的要求非常高,而GaN具有体积小功率大的特性,是目前最适合5G时代的PA材料。SiC和GaN等第三代半导体将更能适应未来的应用需求。

SiC功率器件的主要应用:智能电网、交通、新能源汽车、光伏、风电;新能源汽车是SiC功率器件市场的主要增长驱动因素。目前SiC器件在新能源车上应用主要是功率控制单元(PCU)、逆变器,DC-DC转换器、车载充电器等方面。iC能大大降低功率转换中的开关损耗,因此具有更好的能源转换效率,更容易实现模块的小型化,更耐高温。

总结:

在应用升级和市场驱动的双重带动下,第三代半导体产业将迎来发展热潮。把握“新基建”为第三代半导体材料带来的新机遇,快充,5G基建、新能源汽车和充电桩、特高压及轨道交通四大关键领域,将会给第三代半导体带来更大的市场空间。

审核编辑 :李倩

 

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