第三代半导体来势汹汹,前代材料会全面退赛吗?

视频介绍

2021-04-16 19:59:34

从半导体材料的三项重要参数看,第三代半导体材料在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上均有着优异的表现。半导体行业中有“一代材料、一代技术、 一代产业”的说法。与一些人对“工业王冠上的钻石”生产制造上的断言相似,在芯片制造中,材料若缺席,技术充其量就是一纸PPT,无法落地为产品。随着以碳化硅、氮化镓等宽禁带化合物为代表的第三代半导体应用技术的进步,5G、毫米波通讯、新能源汽车、光伏发电、航空航天等战略新兴产业的关键核心器件的性能将获得质的提升。以氮化镓材料切入电源管理应用为标志,第三代半导体的“超级风口”已呼啸而至。化合物半导体制造产业迎来了新的风貌。当第一代、第二代半导体材料工艺逐渐接近物理极限,有望突破传统半导体技术瓶颈的第三代半导体材料成为行业发展的宠儿。事实上,国内之所以将半导体材料以“代”来划分,多少缘自于随着半导体材料的大规模应用而来的三次产业革命。第一代半导体材料以硅和锗为代表,也就是我们现在使用的硅基半导体材料,它被广泛应用于芯片的制造之中,芯片就是以硅晶圆为材料加工制成的。第二代半导体材料以砷化镓、磷化镓等为主,在4G时代被广泛应用于4G通讯设备的制造,我们如今使用的大部分通讯设备,都是第二代半导体材料的成果。从第一第二代半导体材料的变化上也能看出,半导体材料的更新迭代主要更换的就是使用材料。而以氮化镓、碳化硅、氧化锌和金刚石为代表的第三代半导体材料,则有效推动着半导体照明、显示、电力汽车等产业的发展。相比于第一代半导体材料的硅基芯片,第三代半导体材料的碳机芯片在性能上更具优势,它不但拥有更稳定的结构,对高温和高压环境的耐受度也更高,这就意味着碳基芯片将比硅基芯片更易生产。同时第三代半导体材料还具有更强的导电性,更高的工作效率、更低的能耗和更佳的可塑性。这意味着芯片制程中,将具备向小纳米制程发展的条件。事实上,一、二、三代半导体材料各有其适合的应用范畴,在未来很长的时间中,这三代半导体材料还将共存。虽然硅材料没有那么牛,但在可靠性和整体性能上,目前还没有任何半导体材料可以和它抗衡。作为半导体行业人士心中的“终极半导体”,金刚石甚至连实验室都还没走出。由于硅制备工艺成熟、自然界储备量大且应用广泛,硅材料器件有着难以逾越的价格优势。然而,当特斯拉为了行驶里程仅5%的提升,不惜以成本高几倍的代价率先全面采用碳化硅时,这种新材料在新能源汽车及配套领域的应用潜力就得到了验证,为将节能视为首要需求的行业树立了一块样板。虽然成本高昂、生产工艺不成熟等问题还待解决,但第三代半导体的应用之门已经拉开了一条缝。相比传统硅半导体动辄高达千亿级别的投资,第三代半导体投资强度小,但战略意义大,被产学研各界视为我国摆脱集成电路产业对外依赖,实现技术追赶和产业发展的突破口。

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