當第一代、第二代半導體材料工藝逐漸接近物理極限,有望突破傳統半導體技術瓶頸的第三代半導體材料成為行業發展的寵兒。
事實上,國內之所以將半導體材料以“代”來劃分,多少緣自于隨著半導體材料的大規模應用而來的三次產業革命。
第一代半導體材料以硅(Si)為代表,其取代了笨重的電子管,推動了以集成電路為核心的微電子產業的迅猛發展。
第二代半導體材料以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)等為主,磷化銦半導體激光器是光通信系統的關鍵器件,砷化鎵高速器件更開拓了光纖及移動通信新產業。
而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料則有效推動著半導體照明、顯示、電力汽車等產業的發展。
從半導體材料的三項重要參數看,第三代半導體材料在電子遷移率(低壓條件下的高頻工作性能)、飽和漂移速率(高壓條件下的高頻工作性能)、禁帶寬度(器件的耐壓性能、最高工作溫度與光學性能)三項指標上均強于硅材料器件。
其中,最引人注目的是第三代半導體的“寬禁帶(Wide Band-Gap,WBG)”。高禁帶寬度的好處是,器件耐高壓、耐高溫,并且功率大、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低。
但參數的優異并不意味著半導體材料一代更比一代好。事實上,一、二、三代半導體材料各有其適合的應用范疇,在未來很長的時間中,這三代半導體材料還將共存。
雖然硅材料沒有那么牛的參數,但在可靠性和整體性能上,目前還沒有任何半導體材料可以和它抗衡。作為半導體行業人士心中的“終極半導體”,金剛石甚至連實驗室都還沒走出。
但同時我們可以看到,隨著氮化鎵材料切入電源管理,化合物半導體制造產業的風貌迎來改變。
化合物半導體泛指各種不以硅為基礎的半導體材料,通常可分成三五族半導體與二六族半導體。
三五族半導體由三族的元素鋁、鎵、銦及五族的元素氮、磷、砷、銻等組成。二六族半導體則是由二族的元素鋅、鎘、汞和六族元素硫、硒、碲形成的化合物。
所有電子設備都需要電源管理,當氮化鎵敲開電源管理這個龐大市場的大門,化合物半導體也開始展現出不容小覷的商業潛力。
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