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第一代、第二代、第三代半导体材料是什么?有什么区别

作者:如沐春风 发布时间:2019/4/3 来源:电子发烧友 浏览量:4959 相关关键词: MCU 半导体 芯片 物联网 人工智能 ST 仙童半导体 电子元器件

           

第一代半导体材料概述

  第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料。作为第一代半导体材料的锗和硅,在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用,硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。

  第二代半导体材料概述

  第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。因信息高速公路和互联网的兴起,还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。
                          

  第三代半导体材料概述

  第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(Eg》2.3eV)半导体材料。在应用方面,根据第三代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域,宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

  和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev),也称为高温半导体材料。

  第三代半导体材料应用领域

  1、半导体照明

  蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。GaN基半导体,衬底材料的选择就只剩下蓝宝石((Al2O3)、SiC、Si、GaN以及AlN。后两者产业化为时尚远,我们讨论下前三者。总的来说,三种材料各有千秋。蓝宝石应用最广,成本较低,不过导电性差、热导率低;单晶硅衬底尺寸最大、成本最低,但先天巨大的晶格失配与热失配;碳化硅性能优越,但衬底本身的制备技术拉后腿。

  全球LED衬底市场分析:普莱西、晶能光电和三星主要使用硅衬底,但是技术起步晚,目前产业规模较小,市场占有率低;Cree公司主要采用碳化硅衬底,但是由于其成本问题,加上专利垄断,几乎没有其他企业涉足。中村修二领导的Soraa公司据知正在采用氮化镓(GaN)衬底,这是良好的LED衬底材料,但是比蓝宝石更昂贵,并且生产尺寸也受到限制,也不能够被大量采用。因此,蓝宝石衬底得以迅速发展,占据主流市场。

  根据IHS最新研究情报显示,在2015年全球96.3%的LED生产均采用蓝宝石衬底,预计到2020年该数据将会上升到96.7%。2015年主要得益于价格下跌,蓝宝石应用市场才得以提振。尤其是4英寸晶圆在2015年占据了55%的市场份额,其中9.9%是被三星、首尔半导体、晶元光电等大厂分割;6英寸晶圆产能也持续增长,主要以欧司朗、Lumileds公司、LG化学和科锐等厂商为首选。

  2、功率器件

  许多公司开始研发SiC MOSFET,包括科锐(Cree)旗下Wolfspeed(被Infineon收购)、罗姆意法半导体、三菱和通用电气。与此相反,进入GaN市场中的玩家较少,起步较晚。

  2015年,SiC功率半导体市场(包括二极管晶体管)规模约为2亿美元,到2021年,其市场规模预计将超过5.5亿美元,这期间的复合年均增长率预计将达19%。毫无悬念,消耗大量二极管的功率因素校正(PFC)电源市场,仍将是SiC功率半导体最主要的应用。

  目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管(HEMT)和600伏HEMT混合串联开关,国外厂商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中国GaN相关企业有IDM公司中航微电子、苏州能讯,材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。

  3、微波器件

  微波器件方面,GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来,GaN微波器件有望用于4G~5G移动通讯基站等民用领域。

  市调公司预测,2016~2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。

  GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

  4、激光器和探测器

  在激光器和探测器应用领域,GaN激光器已经成功用于蓝光DVD,蓝光和绿色的激光将来巨大的市场空间在微型投影、激光3D投影等投影显示领域,蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代照明技术应该是基于GaN激光器的“激光照明”,有望将照明和显示融合发展。目前,只有国外的日本日亚公司(Nichia)、和德国的欧司朗(Osram)等公司能够提供商品化的GaN基激光器。

  由于氮化镓优异的光电特性和耐辐射性能,还可以用作高能射线探测器。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,例如核辐射探测器,X射线成像仪等,但尚未实现产业化。
                                   

  我国发展第三代半导体材料展望

  现在已经发展到第三代半导体材料,但是第一代与第二代半导体材料仍在广泛使用。为什么第二代的出现没有取代第一代呢?第三代半导体是否可以全面取代传统的半导体材料呢?

  Si和化合物半导体是两种互补的材料,化合物的某些性能优点弥补了Si晶体的缺点,而Si晶体的生产工艺又明显的有不可取代的优势,且两者在应用领域都有一定的局限性,因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容,取各自的优点,从而生产出符合更高要求的产品,如高可靠、高速度的国防军事产品。因此第一、二代是一种长期共同的状态。

  但是第三代宽禁带半导体材料,可以被广泛应用在各个领域,消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等,且具备众多的优良性能可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈,故被市场看好的同时,随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。

  我国在第三半导体材料上的起步比较晚,且相对国外的技术水平较低。这是一次弯道超车的机会,但是我国需要面对的困难和挑战还是很多的。

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