以碳化硅、氮化鎵等為代表的第三代半導體材料引發全球矚目

發布時間 | 2017-11-03 15:55 分類 | 行業要聞點擊量 | 9954

論壇碳化硅氮化鋁

導讀：近年來，以碳化硅、氮化鎵等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料引發全球矚目，日前在廣東省深圳市舉辦的中歐第三代半導體高峰論壇就證明了這一點。

近年來，以碳化硅、氮化鎵等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料引發全球矚目，日前在廣東省深圳市舉辦的中歐第三代半導體高峰論壇就證明了這一點。來自中國和歐洲從事碳化硅、氮化鎵等第三代半導體技術研究的200多位知名專家學者和產業界人士匯聚一堂，探討第三代半導體材料的前沿技術和發展趨勢。

第三代半導體材料為何舉世矚目？

第三代半導體是以氮化鎵、碳化硅、氮化銦、氮化鋁為基礎的III-V 族化合物半導體，由于其具有禁帶寬、擊穿電場強度高、飽和電子遷移率高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強等優點，可廣泛應用于新能源汽車、軌道交通、智能電網、新一代移動通信、消費類電子等領域，被視為支撐能源、交通、信息、國防等產業發展的核心技術，已成為美國、歐洲、日本半導體行業的重點研究方向。

雙雄之一：碳化硅

相對于硅(Si)，碳化硅(SiC)的優點很多：有10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點，用SiC制作的器件可以用于極端的環境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經成熟的應用市場。42GHz頻率的SiCMESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統中，用碳化硅作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示屏的關鍵器件。但除以上談到的以外，現階段碳化硅元件最主要的應用市場，其實是電動車。

原因在于碳化硅元件可實現更輕巧的電源系統設計，不管是車身上的動力總成(Powertrain)系統，還是固定安裝在路邊或車庫里的充電樁，導入碳化硅元件的進度都非常快。

對車載應用而言，設備的大小跟重量非常關鍵。若車上的逆變器(Inverter)、充電系統能做得越小巧，則電動車的電池續航力越高。這是電動車廠商之所以對碳化硅解決方案趨之若鶩的主要原因。

至于在充電樁部分，帶動碳化硅元件需求最主要的動力來自快速充電。為了縮短電動車的充電時間，提高電動車的實用性，快速充電已成充電樁的標準功能。這個趨勢使得充電樁的平均輸出功率快速拉升，目前支持20kW、甚至25kW輸出的電動車充電樁，已經開始出現在市場上。

日系半導體業者羅姆利用碳化硅組件成功縮小了Formula E電動賽車的逆變器尺寸

雙雄之二：氮化鎵

氮化鎵(GaN)是氮和鎵的化合物，作為時下新興的半導體工藝技術，提供超越硅的多種優勢。整體來說，目前氮化鎵與碳化硅的應用分界點為600伏特。600伏特以上的電力電子應用是碳化硅元件的天下，200～600伏特則是氮化鎵具有優勢。因此當下氮化鎵的主要應用市場是手機快充、電源產業。

近年來手機快充技術不斷發展，已成為智能手機標配，而促進其普及的重要推手便是氮化鎵組件。德州儀器(TI)電源管理應用經理蕭進皇曾表示：“氮化鎵材料具有低Qg、Qoss與零Qrr的特性，能為高頻電源設計帶來效率提升、體積縮小與提升功率密度的優勢，因此在服務器、通訊電源及便攜設備充電器等領域受到市場相當不錯的回響，應用需求也越來越多。”

此外，無線電通信也非常需要高性能的氮化鎵半導體組件。在去年年底舉行的MACOM媒體見面會上，MACOM無線產品中心資深總監成鋼曾表示，MACOM推出的第四代的氮化鎵產品峰值效率達到70%，即是說如果讓中國現在所用的4G基站均采用氮化鎵而不是傳統的LDMOS，按照6毛錢一度電，7x24小時運營來計算，其可為運營商一年節省23億元電費，如果是效率更低的2G、3G成本將節約更多。

而對于正在落實中的5G通信，氮化鎵技術同樣起到了極大的推動作用。5G移動通信將從人與人通信拓展到萬物互聯，預計2025年全球將產生1000億的連接，需求成長能力十分可觀。但顯然5G技術的門檻相對更高，不僅需要超帶寬，更需要高速接入，低接入時延，低功耗和高可靠性以支持海量設備的互聯。而氮化鎵器件擁有更高的功率密度、更高效率和更低功耗，剛好能夠滿足5G通信對于半導體元器件性能的要求。