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2022年第三代半导体行业研究报告

时间:2022-04-20 22:41:58 作者:小编 点击:

目前市场上的半导体材料以硅基为主,根据摩尔定律,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,但随着台积电在1nm及以下芯片方面取得重大进展,硅基半导体未来将面临着摩尔定律失效的问题,主要因为1颗原子的直径大小约为0.1nm,在1nm制程下,一条线可容纳不到10颗原子,只要其中有一个原子存在缺陷,就会影响到产品良率。而以碳化硅和氮化镓为主的第三代半导体材料性能更加优异,且热导性能高,在小型化和轻量化方面更有优势,将成为下一代半导体材料的主要方向。


半导体材料起于上世纪50年代,最初以锗为主,世界上第一只晶体管就是由锗作为半导体材料,但由于硅在自然界的储量非常丰富,产品价格更低,且锗基半导体虽然电子能级更好,导电性能更强,但热导能力较弱,发热现象较为明显,所以硅基半导体成为第一代半导体材料的核心。目前,世界上绝大多数的半导体器件均以硅作为基础材料进行制造,占据全球半导体产品90%以上的市场份额,广泛应用于集成电路及部分功率半导体等低压、低频、低功率领域,下游涵盖消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等。

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第二代半导体材料以砷化镓和锑化铟为主,为化合物半导体,砷化镓是典型代表。第二代半导体材料电子迁移率较高,生长工艺成熟,但禁带宽度较小,击穿电场低,且材料有毒,易造成环境污染,在高温、高频、高功率领域应用比较受限,而在高频、高速领域应用较广,如卫星通讯、移动通讯以及光通讯等。


第三代半导体材料以碳化硅和氮化镓为主,为宽禁带半导体材料,与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率,在高温、高压金额高频领域表现较为优异,广泛应用于新能源汽车、5G宏基站、光伏、风电、高铁等领域。


与硅基材料相比,以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料的耐高压、耐高温、高频和高热导率性能更好。


耐高压:碳化硅和氮化镓材料的击穿电场强度均在3MV/cm及以上,是硅基材料的10倍,击穿电场强度大,碳化硅基器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗,所以非常适用于5G基站、轨交交通、光伏风电等高压领域。


耐高温:半导体器件在高温下易产生载流子的本征激发现象,造成器件失效,而半导体材料的禁带宽度越大,器件的极限工作温度就越高,碳化硅和氮化镓的禁带宽度分别为3.2eVh、3.4eV,而硅的禁带宽度仅为1.12eV,大约为碳化硅和氮化镓禁带宽度的1/3,较高的禁带宽度可以保证碳化硅和氮化镓器件在高温条件下工作的可靠性。目前,硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上,耐高温效果极为显著。


高热导性:高热导率有助于半导体器件的散热,实现快速降温,在同样的输出功率下,能够使半导体器件保持更低的温度,所需的散热设计要求更低,便于简化器件终端的冷却系统,有助于实现半导体器件的小型化和轻量化,所以同规格下对制程的要求更低。目前,碳化硅的热导率超过硅的3倍,散热性能性好,无需复杂的散热设计需求,节省器件空间,更容易向集成化、小型化方向发展。


高频性能:漂移速度是指一个电子因为电场的关系而移动的平均速度,电子漂移速度越快,工作频率越高。碳化硅和氮化镓的饱和电子漂移速率超过硅基材料的2倍,能够实现更高的工作频率和更高的功率密度。