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什么是第三代半导体?
125 发布时间:2020-09-08 08:58:18

这几天,第三代半导体又双叒叕火了,火的程度不亚于年初小米推出氮化镓快充引起的热浪。

这次引起关注的主要原因是网上流传的一个消息,据业内权威人士透露,我国计划把大力支持发展第三代半导体产业,写入正在制定的“十四五”规划。

第三代半导体主要应用于功率器件和射频器件,对制程工艺要求没那么高,但又是一个严重落后的领域,如果在这方面能够实现逆转,

也是一种策略。

什么是第三代半导体?

从半导体的断代法来看,硅(Si)、锗(Ge)为第一代半导体,特别是 Si,构成了一切逻辑器件的基础,我们的 CPUGPU 的算力,都离不开 Si 的功劳;砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为第二代半导体的代表,其中 GaAs 在射频功放器件中扮演重要角色,InP 在光通信器件中应用广泛……

而到了半导体的第三代,就涌现出了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等新兴材料。

什么是第三代半导体?

所以就导致很多材料学的人诧异,啥,这都是半导体?金刚石咋就微微导电了?

首先需要从一个科普的问题入手,什么是半导体?

官方的给出的解释非常中庸,导电性介于导体和绝缘体之间的材料,称为半导体。

那么半导体到底是导呢?还是不导呢?还是微微导?这是个很容易误导人的解释,信还是不信,微微信。

其实半导体真实的意思应该这样理解:

在特定情况下导电,在特定情况下绝缘的材料。

换成这个角度,一切问题就豁然开朗。我们知道,数字世界的基础为二进制的 0 和 1,因此,半导体的导和不导,就构成了 0 和 1 的基础。

同样的,在电力电子领域,电力供应和传输的开和关,也可以用半导体的导和不导来实现,这就构成了功率半导体的基础。

而功率半导体,恰恰就是第三代半导体的主要用武之地。

在第三代半导体的代表中,碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)目前是技术较为成熟的材料(当然是相对而言,价格还是居高不下,也谈不上成熟)。

而氧化锌(ZnO)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等就更落后了,还处在研究阶段,刚刚起步。科研人员也就只能用炉子制造一些零零碎碎的“彩钻”来玩玩,想要把金刚石制成大晶圆,还为时尚早。

业内人士对于第三代半导体也褒贬不一,有的人甘之如饴,有的人避之不及。

特别在投资领域,一些人在蹭热点,一些人在挖价值,一些人在随风起舞,一些人在避风驻足。

消极观点的原因就是,第三代半导体的性价比太低,而且相比之下应用空间比 Si 要小很多,功率半导体、射频器件,比起逻辑芯片来,市场规模小巫见大巫。

其实笔者想说的是,并不存在十全十美的半导体材料,被业界选中并广泛使用的,都是在各个性能指标之间的平衡。频率、功率、耐压、温度……就算各个指标表现优异,还得考虑制造工艺复杂性和成本。

第三代半导体的产业化,也需要在各个方面寻找到平衡。

一代、二代、三代半导体之间,并非简单的取代关系,行业足够大、需求足够多样,每一种材料都会找到适合的需求空间。

对于第三代半导体材料而言,一般射频器件主要采用 GaN,功率器件主要采用 SiC 和 GaN。

比如 5G 的毫米波射频,离不开 GaN;高功率器件需要基于 SiC 的二极管、MOS 管等;而前文提到的小米快充,则是采用的 GaN 功率器件。

既然第三代半导体的风口来了,那么各怀心思蹭热点的现象也层出不穷,比如那些搞个空壳公司各地签约几十、几百亿大项目,什么火做什么,什么难做什么。

比如那些搞 LED 的公司,也站出来炒 LED 概念。

半导体投资人士陈穰(化名)义正言辞地说,“那些做 LED 的,氮化镓就是瞎炒概念!”

氮化镓(GaN)在 LED 应用中早已不是什么新鲜事儿,其实 GaN 之所以被选出来作为半导体材料的初衷,为了蓝光 LED 而生。

而我们现在追捧的第三代半导体特性,宽禁带、高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等,属于适用于射频、功率等领域的特性要求,就是另外一回事了。


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