中国加入全球“四巨头”,这个新领域,即将爆发!

时间:2022-09-02作者:佚名

从2年前被小米拿来当做王牌卖点大肆宣传的“新贵”,到现在几乎成为新产品的标配,氮化镓在短时间内普及到了千家万户。

事实上,说氮化镓材料是“新贵”不太贴切,早在30年前,这种材料就已经被用在半导体上。

1、搭桥铺路

导体行业发展近百年,已经经历了3代半导体晶圆材料的革新。第1代半导体是锗和硅;第2代半导体以砷化镓、磷化铟为代表;氮化镓则属于第3代半导体材料,与其同类的还有碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等。

其中,氮化镓和碳化硅是目前研究最为火热的第3代半导体材料,被称为第3代半导体的“双子星”。

在氮化镓和碳化硅中,碳化硅热导率较高,使得其在高功率应用中占据统治地位;由于氮化镓具有更高的电子迁移率,具有更高的开关速度,在高频率应用领域,氮化镓具备优势。

一般说来,电压300-600V的环境下,氮化镓有优势;在600V以上的环境下,碳化硅有优势。

所以现在可以看见,碳化硅功率器件在电动汽车身上越来越多见,而氮化镓的应用领域更多,先伴随着家用电器开枝散叶。

那么,比起第1代和第2代半导体,第3代半导体的进步在哪里呢?

从名字就能看出来——第3代半导体又称作“宽禁带半导体”,其核心优势就在“宽禁带”上。

先简单科普一下“禁带”的概念。

初中化学内容:一个物体能否导电以及导电能力强不强,取决于其能否产生自由流动的电子以及产生自由电子的能力。金属类元素的原子核对外层电子的束缚能力较弱,因此表现为良导体;非金属元素原子核对于外层电子束缚能力强,因此外层电子不能自由流动,成为了绝缘体。

而半导体在二者之间——它本身不导电,但是在一定的状况下,比如掺进杂质后,就可以导电。

在固体中,原子外的电子会分成不同能级,当原子间相互作用导致能级移动时,就产生了一组差别很小的能级,也就是能带。其中,电子从最低能级开始依次向上填充,被填满的能带称为满带,满带中能量最高的一条称为价带。由于已经挤满了电子,可以认为价带中的电子是不导电的

从价带继续往上,就是没有被填满的能带,由于这个能带几乎是空的,所以电子可以自由移动,这个能带就是导带。在导带和价带之间的就是禁带。换句话说,禁带就是电子从价带“突破”到导带所需的能量。

简单打个比方,满带就像半导体内一条挤满电子的公路A,导带则是旁边是一条空荡荡的公路B,禁带是公路A和公路B之间的沟,价带则是公路A上最靠近公路B的车道。

如果沟太宽,电子没办法从公路A跳到公路B上去,交通便陷入彻底瘫痪,这就是绝缘体;如果沟很窄,电子很容易走上公路B,交通就会立刻顺畅起来,这就是金属。半导体就是在公路A和公路B之间搭了一座升降桥,实现电子可控地移动。

从这里我们可以知道,半导体的禁带不能太窄,否则只需很小的能量就能让所有电子自由移动。半导体就变成了导体,上面的电流不再可控。

更关键的是,这种情况是不可逆的,所有电子成为自由电子后,化学键就破裂了,材料本身发生了变性。一旦化学键破裂,就会和环境中的其他原子,例如氧,形成新的化学键,就不再是晶体了。

反过来,禁带宽的好处有很多。比如和前面说的相反,禁带越宽,意味着这个材料本身越难成为导体,可以承受的电压也就越高,用它制作半导体器件也就能承受更高的功率和温度。

进而,相对于原来的硅器件,同样电压等级下,宽禁带半导体的die(从晶圆上切割下的芯片)可以做得更小,从而让干扰半导体元件性能的寄生参数更小,发热更小。寄生参数小则带来导通速度快、反向恢复电流小、开关损耗小、承受温度高等优势。

指标上可以看出,第3代半导体几乎全面领先硅和砷化镓:

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2、年增70%的产业

虽说已经出现30多年,但早前,氮化镓的应用主要集中在半导体照明行业,而最被看好,也是当前讨论最热烈的,是其在电力电子领域的前景。

在这方面,目前处于美国、欧洲、日本、中国“四足鼎立”状态。

氮化镓产业链和传统半导体产业类似,包括原材料→器件制造→应用三大环节,器件又可以细分成IC设计→芯片制造→芯片封装3个小环节。

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