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第三代半导体为什么这样火?4 张图秒懂GaN、SiC 关jian手艺

2022-08-01

第三代半导体是现在高科技领域最热门的话题,在5G、电动车、再生能源、工业4.0生长中饰演不行或缺的角色,纵然常听到这些新闻,信托许多人对它仍一知半解,那么第三代半导体到底是什么?对此,本系列专题将用最浅易易懂、最全方位的角度,带你相识这个足以影响科技工业未来的关jian手艺。

第三代半导体、宽带隙是什么?

讲到第三代半导体,首先简朴先容一下第一、二代半导体。在半导体质料领域中,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「宽带隙半导体」,WBG)则是「碳化硅」(SiC)和「氮化镓」(GaN)。

宽带隙半导体中的「带隙」(Energy gap),若是用最白话的方式说明,代表着「一个能量的差距」,意即让一个半导体「从绝缘到导电所需的最低能量」。

第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低带隙质料,数值划分为1.12 eV(电子伏特)和1.43 eV,第三代(宽带隙)半导体的带隙,SiC和GaN划分到达3.2eV、3.4eV,因此当遇到高温、高压、高电流时,跟一、二代比起来,第三代半导体不会容易从绝缘酿成导电,特征更稳固,能源转换也更好。

一ban人常有的第三代半导体迷思

随着5G、电动车时代来临,科技产物对于高频、高速运算、高速充电的需求上升,硅与砷化镓的温度、频率、功率已达极限,难以提升电量和速率;一旦操作温度凌驾100度时,前两代产物更容易故障,因此无法应用在更严苛的情形;再加上全球开shi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下的新宠儿。

第三代半导体在高频状态下仍可以维持优异的效能和稳固度,同时拥有开关速率快、尺寸小、散热迅速等特征,当芯片面积大幅镌汰后,有助于简化周边电路设计,进而镌汰模组及冷却系统的体积。

许多人以为,第三代半导体与先进制程一样,是从第一、二代半导体的手艺累积而来,着实不尽然。从图中来看,这三代半导体着实是平行状态,各自生长手艺。

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▲ 第三代半导体到了2000 年后,开shi陆续推生产物

SiC 和 GaN 各具优势、生长领域差异

相识到前三代半导体差异后,我们接着聚焦于第三代半导体的质料——SiC和GaN,这两种质料的应用领域略有差异,现在GaN组件常用于电压900V以下之领域,例如充电器、基站、5G通讯相关等高频产物;SiC则是电压大于1200 V,好比电动车相关应用。

SiC 是由硅(Si)与碳(C)组成,结协力强,在热量上、化学上、机械上都稳固,由于低消耗、高功率的特征,SiC 适合高压、大电流的应用chang景,例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿色能源发电装备。

另外,SiC 本shen是「同质磊晶」手艺,以是品质好、组件可靠度佳,这也是电动车选择使用它的主因,加上又是垂直元件,因此功率密度高。

现今电动车的电池动力系统主要是200V-450V,更高端的车款将朝向800V生长,这将是SiC的主力市chang。不外,SiC 晶圆制造难度高,对于长晶的源头晶种要求高,不易取得,加上长晶手艺难题,因此现在仍无法顺遂量产,后面会多加详述。

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▲ SiC 和 GaN 基板应用示意图

GaN 为横向组件,生长在差异基板上,例如 SiC 或 Si 基板,为「异质磊晶」手艺,生产出来的 GaN 薄膜品质较差,虽然现在能应用在快充等民生消耗领域,但用于电动车或工业上则有些疑虑,同时也是厂商极欲突破的偏向。

GaN 应用领域则包罗高压功率器件(Power)、高射频组件(RF),Power 常做为电源转换器、整流器,而寻常使用的蓝牙、Wi-Fi、GPS 定位则是 RF 射频元件的应用规模之一。

若以基板手艺来看,GaN 基板生产成本较高,因此GaN 组件皆以硅为基板,现在市chang上的GaN功率元件以GaN-on-Si(硅基氮化镓)以及GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)两种晶圆举行制造。

一ban常听到的GaN制程手艺应用,例如上述的GaN RF射频器件及PowerGaN,都来自GaN-on-Si的基板手艺;至于GaN-on-SiC基板手艺,由于碳化硅基板(SiC)制造难题,手艺主要掌握在国际少数厂商手上,例如美国科锐(Cree)、II-VI及罗姆半导体(ROHM)。

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▲ 射频组件、Power GaN 都来自 GaN-on-Si 手艺

磊晶手艺难题、关jianSiC基板由国际大厂主导

第三代半导体(包罗SiC基板)工业链依序为基板、磊晶、设计、制造、封装,岂论在质料、IC设计及制造手艺上,仍由国际IDM厂主导,代工生涯空间小,现在台湾地域的供货商主要集中在上游质料(基板、磊晶)与晶圆代工。

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▲ 第三代半导体的晶圆制程 

从手艺层面来看,GaN-on-Si和GaN-on-SiC有差异问题待解决,除了制程难题、成本高昂外,光是质料端的基板、磊晶手艺难度就高,因此未能放量生产。GaN-on-Si制程要将氮化镓磊晶长在硅基材上,有晶格不匹配的问题须战胜。

至于GaN-on-SiC的关jian质料SiC基板,制程更是繁杂、难题,历程需要长晶、切割、研磨。生产SiC的单晶晶棒比Si晶棒难题,时间也更久,Si长晶约3天就能制出高度200公分的晶棒,但SiC需要7天才气长出2到5公分的晶球,加上SiC材质硬又脆,切割、研灾祸度更高。

现在SiC基板主要由Cree、II-VI、英飞凌(Infineon)、意法半导体(STM)、ROHM、三菱电机(Mitsubishi)、富士电机(Fuji Electric)等国际大厂主导,以6吋或8寸晶圆为主;台厂则以4寸为主,6吋晶圆手艺尚未规模化生产。

许多国家将SiC质料视为战略性资源,代工厂要取得相对难题,质料价钱也高;相较于SiC、GaN-on-Si可用于车用市chang和快充,GaN-on-SiC应用偏向不够明确,因此全力投入开发仍需要一段时间。


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