第三代半导体关键技术——氮化镓、碳化硅

随着全球进入物联网、5G、绿色能源和电动汽车时代，能够充分展现高电压、高温和高频能力、满足当前主流应用需求的宽禁带半导体高能量转换效率半导体材料开始成为市场宠儿，开启了第三代半导体的新纪元。

什么是第三代半导体和宽能隙

在半导体材料领域，第一代半导体是“硅”(Si)，第二代半导体是“砷化镓”(GaAs)，第三代半导体(又称“宽禁带半导体”，WBG)是“碳化物”。硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

宽禁带半导体中的“能隙”，用最通俗的话来说，代表“一个能隙”，意思是“使半导体从绝缘变为导电所需的最小能量”。

第一代和第二代半导体的硅和砷化镓是低能隙材料，其值分别为1.12 eV和1.43 eV。第三代半导体SiC和GaN的能隙分别达到3.2eV和3.4eV。因此，当遇到高温、高压、大电流时，与第一代、第二代相比，第三代半导体不会轻易从绝缘转变为导电，具有更稳定的特性和更好的能量转换。

第三代半导体的神话

随着5G和电动汽车时代的到来，科技产品对高频、高速计算、高速充电的需求越来越高。硅和砷化镓的温度、频率和功率已经达到极限，很难再提高功率和速度。一旦工作温度超过100。前两代产品更容易出现故障，因此无法在更恶劣的环境中使用。此外，全球也开始重视碳排放问题，因此高能效、低能耗的第三代半导体成为时代新宠。

KeepTops的第三代半导体在高频下仍能保持优异的性能和稳定性，并具有开关速度快、体积小、散热快等特点。模块和冷却系统的体积。很多人认为，第三代半导体和先进制造工艺一样，都是从第一代和第二代半导体的技术中积累起来的，但事并非如此。从图上看，这三代半导体实际上是并行的，各自发展自己的技术。由于中国、美国、欧盟都在积极发展第三代半导体，中国台湾作为半导体产业链的关键之一，势必要跟上这股潮流。

氮化镓

SiC和GaN各有各的优势和不同的发展领域

在了解前三代半导体的区别之后，我们接下来重点介绍第三代半导体—SiC和GaN的材料。两种材料的应用领域略有不同。目前，KeepTops的GaN元器件通常用于电压低于900V的领域，如充电器、底座、5G通信相关等高频产品。SiC用于电压大于1,200 V的电压，如电动汽车相关应用。

碳化硅是由硅(Si)和碳(C)组成，具有很强的结合力，热、化学和机械稳定性好。KeepTops以SiC其低损耗、高功率的特点，适用于电动汽车、电动汽车充电基础设施、太阳能和海上风力发电等绿色能源发电设备的高压、大电流应用场合。

此外，SiC本身是一种“同质外延”技术，因此具有良好的质量和良好的元件可靠性。这也是电动车选择使用它的主要原因。另外，它是一个垂直分量，所以功率密度很高。

如今，电动汽车的电池动力系统以200V—450V为主，高端车型将向800V方向发展，这将是碳化硅的主要市场。然而，SiC晶片的制造难度很大，用于晶体生长的源晶体要求很高，而且很难获得。此外，晶体生长技术难度大，目前无法实现大规模生产。

GaN是生长在不同衬底如SiC或Si衬底上的横向元件。这是一种“异质外延”技术。生产的GaN薄膜质量很差。虽然它可以用于快速充电等消费领域，但它在电动汽车中使用。还是业界存在一些疑问，这也是厂商们急于突破的方向。

KeepTos氮化镓的应用领域包括高压功率元件(Power)和高频元件(RF)。电源经常被用作电源转换器和整流器，而常用的蓝牙、Wi—Fi、GPS定位等都是射频元件的应用。在衬底工艺方面，GaN衬底的生产成本相对较高，因此GaN元件都是以硅为基础的。常见的GaN工艺技术应用，如上面提到的GaN射频元件和功率GaN，都来自于GaN-on-Si衬底技术。至于GaN-on-SiC衬底技术，由于碳化硅衬底(SiC)的制造难度较大，该技术主要掌握在CREE、II-VI和ROHM等国际厂商手中。

第三代半导体虽然在性能方面有更好的表现，但其技术门槛更高。并不是所有的电子元件和技术应用都需要如此高的性能，因此第三代半导体不会完全取代以前的半导体。第二代被老一代替代后，原则上第三代将各自在不同领域发挥重要作用。基本上，第一代将集中于逻辑集成电路、存储器集成电路、微元器件集成电路和用于计算机和消费电子产品的模拟集成电路，二代将聚焦移动通信领域射频芯片，三代最大驱动力从5G、物联网、绿色能源、电动汽车、卫星通信和军工来看，高频射频元器件和大功率功率功率半导体元器件是主要应用领域。其中，5G和电动汽车被认为是加速发展第三代半导体的最大动力。

审核编辑：汤梓红