第一代、第二代和第三代半导体知识科普

只看该作者 · 2023-9-12 16:03

半导体原材料经历了三个发展阶段：
第一阶段是以硅（Si）和锗（Ge）为代表的第一代半导体材料
第二阶段以砷化镓等化合物为代表磷化铟（磷化铟）
第三阶段是基于宽带半导体材料，如氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化锌（ZnSe）

半导体材料与器件的发展史
材料领域中，第一代、第二代、第三代没有“一代更比一代好”的说法。氮化镓、碳化硅等材料在国外一般称为宽禁带半导体。将氮化镓、氮化铝、氮化铟及其混晶材料制成氮化物半导体，或将氮化镓、砷化镓、磷化铟制成Ⅲ—Ⅴ族半导体。我国使用的“第三代半导体材料”一词，对应的是人类历史上大规模应用半导体材料所带来的三次产业革命。目前，第三代半导体发展迅速，第一、第二代半导体在工业中仍得到广泛应用，在第三代半导体中发挥着不可替代的作用。
那么第三代半导体与第一代、第二代相比有哪些进步呢？这三代半导体在技术上有什么不同？为什么在第三代半导体中要选择GaN和SiC？

第一代半导体材料
崛起时间：
20世纪50年代
代表性材料：
硅（Si）、锗（Ge）半导体材料
历史意义：
第一代半导体材料引发了以集成电路（IC）为核心的微电子领域的飞速发展
由于硅材料的窄禁带、低电子迁移率和击穿电场，使其在光电子学和高频大功率器件领域的应用受到许多限制。但第一代半导体具有较高的技术成熟度和成本优势，在电子信息、新能源、硅光伏等行业领域仍有广泛应用。

第二代半导体材料
崛起时间：
20世纪90年代以来，随着移动通信的快速发展，以光纤通信和互联网为基础的信息高速公路的兴起，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料开始涌现。。
代表性材料：
第二代半导体材料为化合物半导体。如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）。砷化镓铝。也有一些固溶体半导体，如Ge—Si、Ga As—GaP。玻璃半导体（又称非晶半导体），如非晶硅、玻璃状氧化物半导体。有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
性能特点：
以砷化镓为例。与第一代半导体相比，砷化镓具有高频、耐辐射、耐高温等特点，因此被广泛应用于主流商用无线通信、光通信，以及国防军事等领域。
历史意义：
第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率和发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件和发光器件的优良材料。由于信息高速公路和互联网的兴起，还广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航等领域。例如，与第一代半导体相比，砷化镓(GaAs)可用于光电子领域，特别是在红外激光器和高亮度红光二极管中。
进入21世纪以来，智能手机、新能源汽车、机器人等新兴电子技术迅猛发展。与此同时，全球能源和环境危机也日益突出。材料的性能限制已不能满足科学技术的需要，这就呼唤新材料的出现来代替。

第三代半导体材料。
起源时间：
美国早在1993年就已经研制出第一个氮化镓材料和器件，而我国最早的研究团队中国科学院半导体研究所也于1995年开始这方面的研究，并于2000年Make HEMT结构材料。
代表性材料：
第三代半导体材料主要是宽禁带（例如>2.3eV）以碳化硅（SiC）为代表的半导体，氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石和氮化铝（AlN）。材料。
发展现状：
在5G通信、新能源汽车、光伏逆变器等应用需求明确的推动下，应用领域的龙头企业纷纷开始使用第三代半导体技术，这进一步提振了行业信心，坚定了投资第三代半导体技术路线的决心。
性能分析：
与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度(>2.2eV)。更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和率和更高的耐辐射性，更适合制作耐高温、高频、大功率和耐辐射器件，并可广泛应用于高压、高频、高温和高可靠性领域，包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

半导体材料主要性能参数比较

半导体主要材料及应用
在第三代半导体中，与GaN相比，SiC的开发早于GaN，其技术成熟度也更高。两者之间的一个很大的区别是导热性，这使得SiC在高功率应用中占据了至高无上的地位。同时，由于GaN具有更高的电子迁移率，它可以比SiC或Si具有更高的开关速度。在高频应用中，GaN具有优势。
从下表中常用的“品质因数（FOM）”可以清楚地看到，SiC和GaN与前两代半导体材料相比，在功能和特性上都有了很大的提升。
GaN和SiC在材料性能方面各有优缺点，因此在应用领域上各有侧重，又有互补性。例如，GaN的高频Baliga值明显高于SiC，因此GaN的优点是在高频、小功率、集中在1000 V以下的领域，如通信基站、毫米波等。SiC的Keye优值明显高于GaN，所以SiC的优势在1200V以上的高温大功率领域，包括电力、高铁、电动汽车、工业电机等。在中低频率和中低功率领域，GaN和SiC都可以应用，与传统的硅基器件竞争。

第三代半导体---碳化硅（SIC）
SiC从20世纪70年代开始发展。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT仍在开发中。SiC可以大幅度降低功率转换中的开关损耗，因此具有更好的能量转换效率，更容易实现模块的小型化，也更耐高温。
碳化硅功率器件的主要应用领域：智能电网、交通运输、新能源汽车、光伏、风力发电。新能源汽车是SiC功率器件市场的关键增长动力。目前，SiC器件主要应用于新能源汽车的动力控制单元(PCU)。最高同时在线控制单元，逆变器，直流—直流转换器，车载充电器等。
2017年，全球碳化硅电力半导体市场总额达3.99亿美元。。预计到2023年，SiC功率半导体的总市场规模将达到16.44亿美元。
第三代宽禁带半导体材料可广泛应用于各个领域，如消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等，具有许多可突破第一、二代半导体材料发展瓶颈的优异性能。因此受到市场的青睐同时随着技术的发展有望完全取代第一代和第二代半导体材料。
新的基础设施为国内半导体厂商提供了巨大的发展机遇：我国在第三半导体材料方面起步比较晚，其技术水平与国外相比也比较低。这是一个弯道超车的机会，但还有很多困难和挑战需要我们去面对。
Keep Tops以GaN 核心射频半导体支持5G基站和工业互联网系统建设。以碳化硅和IGBT为核心的功率半导体，支撑新能源汽车、充电桩、基站/数据中心电源、特高压和轨道交通系统建设。以人工智能芯片为核心的SOC芯片支持数据中心和人工智能系统的建设。
不难看出，领先的氮化镓和碳化硅第三代半导体是支持“新基础设施”的核心材料。Keep Tops在“新基础设施”和国产替代的支持下，国内半导体厂商将迎来巨大的发展机遇。

只看该作者 · 2023-9-17 20:46

姑且作个预言，第四代可能是柔性半导体，仿生半导体，第五代可能是约瑟夫森结之类的。

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