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三代半導體材料的區(qū)別是什么

DT半導體 ? 來源:上??破展珗@ ? 作者:上??破展珗@ ? 2022-12-08 10:02 ? 次閱讀

研究機構:“全球碳化硅、氮化鎵功率半導體市場預計2022年將達到18.4億美元,2025年會進一步增長到52.9億美元”。那么什么是半導體?

01 什么是半導體

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體在集成電路消費電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明應用、大功率電源轉換等領域應用。如二極管就是采用半導體制作的器件。無論從科技或是經(jīng)濟發(fā)展的角度來看,半導體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產(chǎn)品,如計算機、移動電話或是數(shù)字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯(lián)。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等,而硅更是各種半導體材料中,在商業(yè)應用上最具有影響力的一種。

具體定義 物質存在的形式多種多樣,固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性差的材料,如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體??梢院唵蔚陌呀橛趯w和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比,半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的,直到20世紀30年代,當材料的提純技術改進以后,半導體的存在才真正被學術界認可。 半導體是指在常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體是指一種導電性可控,范圍從絕緣體到導體之間的材料。從科學技術和經(jīng)濟發(fā)展的角度 來看,半導體影響著人們的日常工作生活,直到20世紀30年代這一材料才被學界所認可。

02 半導體的發(fā)展史

1833年

英國科學家電子學之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電bai阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬,一般情況下,金屬的電阻隨溫度升高而增加,但法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

1839年

法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質接觸形成的結,在光照下會產(chǎn)生一個電壓,這就是后來人們熟知的光生伏特效應,這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特性。

1873年

英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應,這是半導體的第三種特性。

1874年

德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關,即它的導電有方向性,在它兩端加一個正向電壓,它是導通的;如果把電壓極性反過來,它就不導電,這就是半導體的整流效應,也是半導體所特有的第四種特性。同年,舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應。

半導體的這四個特性,雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了,但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

03 三代半導體的區(qū)別

第一代半導體材料

興起時間:二十世紀五十年代;

代表材料:硅(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料。

歷史意義:第一代半導體材料引發(fā)了集成電路(IC)為核心的微電子領域迅速發(fā)展。

由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低,Si 在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制。但第一代半導體具有技術成熟度較高且具有成本優(yōu)勢,仍廣泛應用在電子信息領域及新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中。

第二代半導體材料

興起時間:20世紀九十年代以來,隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角。

代表材料:第二代半導體材料是化合物半導體;如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb);GaAsAl、GaAsP;還有一些固溶體半導體,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半導體(又稱非晶態(tài)半導體),如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導體;有機半導體,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

性能特點:以砷化鎵為例,相比于第一代半導體,砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性,因此廣泛應用在主流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上

歷史意義:第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,還被廣泛應用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。如相比于第一代半導體,砷化鎵(GaAs)能夠應用在光電子領域,尤其在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。

從21世紀開始,智能手機、新能源汽車、機器人等新興的電子科技發(fā)展迅速,同時全球能源和環(huán)境危機突出,能源利用趨向低功耗和精細管理,傳統(tǒng)的第一、二代半導體材料由于自身的性能限制已經(jīng)無法滿足科技的需求,這就呼喚需要出現(xiàn)新的材料來進行替代。

第三代半導體材料

起源時間:美國早在1993年就已經(jīng)研制出第一支氮化鎵的材料和器件,而我國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所在1995年也起步該方面的研究,并于2000年做出HEMT結構材料。

代表材料:第三代半導體材料主要以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶(Eg》2.3eV)半導體材料。

發(fā)展現(xiàn)狀:在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應用需求的明確牽引下,目前,應用領域的頭部企業(yè)已開始使用第三代半導體技術,也進一步提振了行業(yè)信心和堅定對第三代半導體技術路線的投資。

性能分析: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(》2.2eV)、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件,可廣泛應用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領域,包括射頻通信、雷達、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子工業(yè)電力電子等。

第三代半導體中,SiC 與 GaN 相比較,前者相對 GaN 發(fā)展更早一些,技術成熟度也更高一些;兩者有一個很大的區(qū)別是熱導率,這使得在高功率應用中,SiC占據(jù)統(tǒng)治地位;同時由于GaN具有更高的電子遷移率,因而能夠比SiC 或Si 具有更高的開關速度,在高頻率應用領域,GaN具備優(yōu)勢。

第一、二代半導體技術長期共存:現(xiàn)階段是第一、二、三代半導體材料均在廣泛使用的階段。第二代的出現(xiàn)沒有取代第一代的原因是兩者在應用領域都有一定的局限性,因此在半導體的應用上常常采用兼容手段將這二者兼容,取各自的優(yōu)點,從而生產(chǎn)出符合更高要求的產(chǎn)品。第三代有望全面取代:第三代寬禁帶半導體材料,可以被廣泛應用在各個領域,消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛(wèi)星等,且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導體材料的發(fā)展瓶頸,故被市場看好的同時,隨著技術的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導體材料。

由于第三代半導體材料及應用產(chǎn)業(yè)發(fā)明并實用于本世紀初年,各國的研究和水平相差不遠,國內產(chǎn)業(yè)界和專家認為第三代半導體材料成了我們擺脫集成電路(芯片)被動局面、實現(xiàn)芯片技術追趕和超車的良機。回顧半導體發(fā)展的輝煌歷史,也在一定程度上代表了人類的文明史。如果說機械的發(fā)展解放了人類的勞動力,那么半導體的發(fā)展則解放了人類的計算力。而且半導體的發(fā)展勢頭絕不會就此停歇,必將隨著科技的發(fā)展大放異彩,對我們每個人來講,未來的半導體,未來的世界,值得我們期待。

審核編輯:郭婷

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原文標題:【技術分析】詳解三代半導體材料究竟有何區(qū)別?

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