第3代半导体是指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、金刚石、氧化锌(ZnO)为代表的宽禁带半导体材料,各类半导体材料的带隙能比较见表1。与传统的第1代、第2代半导体材料硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比,第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力,是世界各国半导体研究领域的热点。
主要应用领域的发展概况
目前,第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命,无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品,都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3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(见图1)。
电力电子器件
在电力电子领域,宽禁带半导体的应用刚刚起步,市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域,正逐步向民用领域拓展。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。功率器件方面,GaN和SiC两种材料体系的应用领域有所区别。Si基GaN器件主要的应用领域为中低压(200~1 200V), 如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源;而SiC基GaN则集中在高压领域(>1 200V),如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。
第三代半导体电力电子器件和产业趋势
在20世纪,硅基半导体电力电子器件被广泛应用于计算机、通信和能源等行业,为人们带来了各种强大的电子设备,深刻地改变着每一个人的生活,在过去的几十年中一直推动着科学的进步和发展。随着硅基电力电子器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性,给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子元件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。基于这些优势,宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景。
1、军事方面的应用
最初,针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。早在1987年,美国政府和相关研究机构就促成了科锐公司(Cree)的成立,专门从事SiC半导体的研究。随后,美国国防部和能源部先后启动了“宽禁带半导体技术计划”和“氮化物电子下一代技术计划”,积极推动SiC和GaN宽禁带半导体技术的发展。美国政府一系列的部署引发了全球范围内的激烈竞争,欧洲和日本也相继开展了相关研究。欧洲开展了面向国防和商业应用的“KORRIGAN”计划和面向高可靠航天应用的“GREAT2”计划。日本则通过“移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发”、“氮化镓半导体低功耗高频器件开发”等计划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用。经过多年的发展,发达国家在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果,实现了在军事国防领域的广泛应用。
由于SiC和GaN两种材料的特性不同,它们的应用领域也有所区别:GaN主要是用作微波器件,而SiC主要是作为大功率高频功率器件。GaN材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍,是制造微波器件的理想材料,被应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备,用来提高雷达性能和减小体积。根据报道,美国海军新一代干扰机吊舱、空中和导弹防御雷达AMDR正在采用GaN来替代GaAs 器件,以取代洛马公司的SPY-1相控阵雷达(宙斯盾系统核心雷达)。SiC则应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统,起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。美国新型航空母舰CVN-21级福特号配备的4个电磁弹射系统均靠电力驱动,能在300英尺的距离内把飞机速度提高到160海里/h。其区域配电系统采用全SiC器件为基础的固态功率变电站,这使得每个变压器的质量从6t减少为1.7t,体积从10m3减少为2.7m3。
2、民用领域应用
随着在军事领域的应用逐步成熟,宽禁带半导体的应用开始逐步拓展到民用应用领域,其节能效应也将惠及到国民经济的方方面面。近年来,信息技术在原有基础上又得到快速发展,大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及,所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。根据预测,美国电力电子设备用电量占总量的比例将从2005年的30%增长到2030年的80%。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件,绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体,从而可有效减小电子跨越的鸿沟,减少能源损耗。其相关器件的推广应用将给工业电机系统、消费类电子产品、新能源等领域带来深远的影响(见图4)。
图4 宽禁带半导体的应用领域示意图
(1)工业电机系统
在传统工业控制领域,交流电机控制、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等都需要功率器件。对于工业电机系统来说,更高效、更紧凑的宽禁带半导体变频驱动器可使电机的转速实现动态调整,这将使得泵、风机、压缩机及空调系统所用的各类驱动电机变得更加高效、节能。根据报道,在美国,电机系统用电量占制造业的70%左右,通过使用宽禁带半导体变频驱动器,美国每年直接节省的电力相当于100万户美国家庭用电的年消耗量。随着宽禁带半导体变频驱动器的应用逐步扩展,最终节省的电力可供690万户美国家庭使用。
(2)消费电子产品
消费电子产品将是宽禁带半导体应用的另一大领域。目前,家庭拥有的电器总量惊人,各类家电通常都需要各种不同的功率器件控制;公共场所空调、照明、装饰、显示、计算机、自动控制等也需要大量的功率器件。笔记本电脑、智能手机、平板电脑、计算机和服务器等消费电子产品所使用的电源转换器虽然单个能耗不大,但其使用数量庞大,损耗总和相当惊人。宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。通过使用宽禁带半导体,美国在此领域节约的电力可供130万户美国家庭使用。
(3)新能源领域
为了摆脱对化石燃料的依赖、减少温室气体的排放,各国政府都开始大力发展可再生能源产业。太阳能发电和风能发电系统所产生的电力需要从直流电源转换成交流电,继而才能与电网相连接使用。由于风能的不稳定性,风力发电机输出非固定频率的交流电,需要进行交-直-交的转换才能并网使用。宽禁带半导体逆变器可以使得这个过程的效率更高,美国每年节省的电力足够供美国75万户家庭使用。此外,对于智能电网来说,使用宽禁带半导体制成的逆变器、变压器和晶体管等,有助于克服发电、输电、配电及终端使用所面临的一系列问题,帮助建立一个更智能、更可靠、更具弹性的新一代电网。例如,一个宽禁带半导体逆变器,其性能是传统逆变器性能的4倍,同时成本和质量分别减少50%和25%。对于较大规模的逆变器,宽禁带半导体逆变器的质量可以减轻大约3 600kg。
在电动汽车和混合动力汽车领域,宽禁带半导体可以把直流快充电站缩小到微波炉一样大小,并减少2/3的电力损失。由于这些电子产品可以承受更高的工作温度,可使得车辆冷却系统的体积减少60%,甚至消除了二次液体冷却系统。
3、产业趋势
基于宽禁带半导体的广阔应用前景、巨大的市场需求和经济效益,继半导体照明以后,美国将第三代半导体材料的电子电力器件应用提升到国家战略的高度,确保美国在这一领域的优势地位。相对于半导体照明行业,宽禁带半导体在电子电力领域的应用刚刚起步,但预计其潜在市场容量超过300亿美元。
功率器件方面,2012年全球SiC和GaN基功率器件市场的销售规模仅为1亿多美元,大部分应用集中在电源。其中,SiC基器件的市场规模达到9 000万美元,而GaN基器件仅为1 000多万。2013年,各大企业纷纷推出GaN功率器件样品,这标志着其在民用市场的商业化进程开始加速。随着价格下降和产量的增加,预计市场拐点或将出现在2015年。SiC基器件的价格有望下降到2012年的一半左右,GaN基器件的价格也可能进一步下降,届时市场规模有望接近5亿美元。2020年,市场规模将达到20亿美元,相比2012年提高20倍。微波器件方面,2012年GaN基微波器件市场收入接近9 000万美元,预计GaN整体市场微波及功率器件到2015年达到3.5亿美元。
我国开展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比较晚,在科技部及军事预研项目的支持下,取得了一定的成果,逐步缩小了与国外先进技术的差距,在军工领域已取得了一些应用。但是,研究的主要成果还停留在实验室阶段,器件性能离国外的报道还有很大差距。目前,已有少数企业成功开发SiC和GaN材料及器件,GaN微波器件和SiC功率器件于2013年进入小批量生产阶段,预计在未来2~3年内将实现量产。
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发表于 11-05 09:25
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第三代半导体指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料,也称为宽禁带半导体材料。半导体材料共经历了三个发展阶段:第一阶段是以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体材料;
发表于 11-06 17:20
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微波射频产值预计将约为70亿元。 市场规模扩大,5G加速推进GaN射频应用迅猛增长,2020年中国GaN射频器件市场规模约170亿元;新能源汽车及消费电子成为突破口,2020年中国电力电子器件应用市场规模58.2亿元。 吴玲建议,探索构建第三代半导体产业创新
发表于 11-26 09:41
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在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下,第三代半导体材料有望迎来加速发展。硅基半导体的性能已无法完全满足5G和新能源汽车的需求,碳化硅和氮化镓等第三代半导体的优势被放大。
发表于 11-29 10:48
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2020年,第三代半导体站在了产业风口。国产化替代、新基建的热潮,无疑又给其添上一把火。
发表于 12-07 09:53
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招商引资名单中。 问题来了:第三代半导体产业是真的进入春天还是虚火上升?又有哪些行业真的需要GaN或SiC功率器件呢?相对于IGBT、MOSFET和超级结MOSFET,GaN和SiC到底能为电子行业带来哪些技术变革? 为了回答这些问题,小编认真阅读了多
发表于 12-08 17:28
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最近,“我国将把发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划”引爆全网。什么是第三代半导体?发展第三代半导体的意义在哪儿?它凭什么一夜爆火
发表于 12-14 11:02
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以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的的第三代半导体材料主要用于电力电子、微波射频和光电子器件的制造。其中,电力电子器件主要应用于消费类或工业、商业电源的制造,未来随着新能源汽车的广泛应用,该
发表于 01-04 15:25
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,什么材料会再领风骚?记者采访了专家。 禁带宽度,是用来区分不同代际半导体的关键参数。 作为第三代半导体,氮化镓和碳化硅的禁带宽度分别为3.39电子伏特和3.26电子伏特,较高的禁带宽度非常适合高压器件应用。氮化镓电子饱和速度
发表于 01-07 14:19
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近期,阿里巴巴达摩院发布2021年十大科技趋势,“第三代半导体迎来应用大爆发”位列第一。达摩院指出,第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场。未来5年,基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景
发表于 01-13 10:16
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近期,阿里巴巴达摩院发布2021年十大科技趋势,“第三代半导体迎来应用大爆发”位列第一。达摩院指出,第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场。未来5年,基于第三代半导体材料的电子器件将
发表于 01-15 14:24
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第三代半导体主要指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料,它具有宽禁带、耐高压、耐高温、大电流、导热好、高频率等独特性能和优势。第三代半导体目前主要应用于电力电子器件、光电子器件、射频电子器件
发表于 02-01 09:23
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为应对气候变化,我国提出,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”。可提升能源转换效率的第三代半导体产业正在开启发展加速度,有望成为绿色经济的中流砥柱。目前,第三代
发表于 03-25 15:19
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点燃半导体业新战火。 第三代半导体主要和氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)两种材料有关,不少大厂都已先期投资数十年,近年随着苹果、小米及现代汽车等大厂陆续宣布产品采用新材料的计划,让第三代半导体成为各界焦点。 目前各大厂都运用不同
发表于 05-10 16:00
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在政策导向方面,多项新政策的出台,大大助力了第三代半导体材料产业的发展。近年来,国务院及工信部、科技部等多部门出台了一系列扶持第三代半导体材料产业发展的利好政策。
发表于 06-09 09:20
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第三代半导体材料是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性和基础性产业,是国家新材料发展计划的重中之重。“十四五”期间,我国将在教育、科研、开发、融资、应用等方面,大力支持发展第三代半导体产业
发表于 06-17 09:11
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看到第三代半导体,你肯定会想第一代、第二代是什么。这里的 “代际”,是根据半导体制造材料来划分的 第一代半导体材料主要有锗Ge,硅Si等,应用范围主要是:低压、低频,中功率晶体管、光电探测器等取代了
发表于 07-09 15:40
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第三代半导体材料的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍,在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。
发表于 10-11 14:35
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来源:天风证券,如需下载,进入“华秋商城”公众号发送“2021第三代半导体”即可下载。 责任编辑:haq
发表于 11-03 10:33
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电子发烧友网报道(文/程文智)这几年GaN和SiC等第三代半导体器件的商用化进展还不错,GaN器件在快充上开始大规模应用,SiC器件也在汽车上崭露头角。现在大家对第三代半导体器件的前景非常看好,很多
发表于 12-27 09:01
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由第三代半导体产业技术创新战略联盟标准化委员会(CASAS)主办、泰克科技(中国)有限公司和北京博电新力电气股份有限公司协办的“2021 第三代半导体标准与检测研讨会”在深圳召开。
发表于 12-29 14:04
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第三代半导体器件毫不夸张的讲为电源行业带来了革新,基于其高速,小体积,低功耗的特点,越来越广泛应用在消费电子及电力电子行业。下图显示了不同技术的功率器件的性能区别。可以看到,传统的Si基IGBT或者
发表于 12-29 17:11
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伴随着物联网、新能源和人工智能的发展,对半导体器件的需求日益增长,对相关器件可靠性与性能指标的要求也更加严苛,于是第三代半导体市场应运而生。近年国内的第三代半导体产业发展如火如荼,同时对高压、高电流
发表于 01-08 00:16
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第三代半导体功率器件的理想材料,可以在溶剂中生长。
发表于 01-13 17:39
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【导读】在集成电路和分立器件领域,硅始终是应用最广泛、技术最成熟的半导体材料,但硅材料技术的成熟恰恰意味着难以突破瓶颈。为了打破固有屏障,半导体产业进一步深入对新材料、新工艺、新架构的探索。凭借着在功率、射频应用中的显著性能优势,第三代半导体逐渐显露出广阔的应用
发表于 08-02 08:56
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半导体列入国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项;与此同时,在地方政策方面,北京、深圳、江苏、成都、厦门、泉州、芜湖等均已发布或正在研究推动第三代半导体产业发展的扶持政策。
发表于 08-02 08:57
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近年来,「第三代半导体」这个名词频频进入我们的视野。尤其近年来「第三代半导体」在电动车、充电桩、高功率适配器等应用中的爆发式增长,使得其越来越贴近我们的生活。
发表于 09-22 09:48
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第三代化合物半导体材料中,碳化硅(SiC)与方案商和中小设备终端制造商关系最大,它主要作为高功率半导体材料应用于电源,汽车以及工业电力电子,在大功率转换应用中具有巨大的优势。
发表于 11-01 09:29
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第三代半导体在我国发展的开端应追溯至2013年。当年我国科技部制定“863计划”首次明确将第三代半导体产业划定为国家战略发展产业。随后2016年,国务院国家新产业发展小组将第三半导体产业列为发展重点
发表于 11-22 13:35
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近年,国星光电立足自身产业经验与科技创新优势,积极拓宽半导体领域外延发展空间,第三代半导体则是公司前瞻布局的重要方向之一。为加速推进第三代半导体产业化发展,公司已成功推出三大类产品线,为市场提供多样化、高可靠性、高品质的功率器件封测业
发表于 12-05 14:40
•359次阅读
SiC(碳化硅)器件作为第三代半导体,具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和迁移速率高和击穿电场高等特性,碳化硅器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和新能源汽车、光伏、航天、军工等环境应用领域有着不可替代的优势...以下针对SiC器件
发表于 12-09 11:31
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第三代半导体材料有哪些 第三代半导体材料: 氨化家、碳化硅、氧化锌、氧化铝和金刚石。 从半导体材料的三项重要参数看,第三代半导体材料在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上均有着优异的表现
发表于 02-07 14:06
•1453次阅读
第三代半导体是一种新型的半导体材料,它可以提供更高的功率密度、更低的功耗和更高的效率。它们可以用于制造更小、更轻、更高效的电子元件,从而提高电子设备的性能。
发表于 02-16 15:29
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3月15日,在深圳福田会展中心的论坛上,中国第三代半导体产业技术创新联盟秘书长赵静分享2022年全球半导体产业发展趋势和中国第三代半导体的最新市场规模和应用进展。
发表于 03-17 08:33
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第三代半导体具有广泛的应用,已成为战略物资,被美国列入301管制清单。检测是提高半导体器件质量与可靠性的重要保障,广电计量作为国有检测机构,在我国第三代半导体发展过程中,秉承国企担当,为光电子、电力电子、微波射频等第三代
发表于 06-20 15:32
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文:第三代半导体产业技术创新战略联盟、马云飞图:第三代半导体产业技术创新战略联盟2022年8月6日,由保定市人民政府、河北省科学技术协会、河北省发展和改革委员会、河北省工业和信息化厅、河北省
发表于 08-11 15:55
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