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华为投了半条产业链!第三代半导体魅力在哪?

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我国加快“新基建”建设力度,明确新基建涉及“5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网”等七大领域,而在这七个方面除了人工智能之外,都有第三代半导体身影。

数据显示,华为的哈勃科技投资了国内第三代半导体的半条产业链,同时是衬底公司山东天岳(正在冲刺A股科创板)、天科全达,外延公司瀚天天成、东莞天域的股东。

       另外,被网友誉为“最强风投”的合肥国资,最近再出手布局第三代半导体。6月25日,露笑科技(002617)发布公告,合肥北城等合肥国资再次增资合肥露笑半导体。

据报道,露笑科技已储备国内最早从事碳化硅晶体生长研究的技术团队——陈之战博士研究团队。陈之战博士 1998 年开始从事碳化硅晶体的生长研究,截至今日拥有 22 年的丰富经验。  

2、两种材料三大应用

第三代半导体中的“代”指的是半导体衬底材料的变化,并非指某一代更优。

从半导体产品看,第三代半导体材料主要在分立器件(新能源车)、微波射频器件(5G射频)和光电子等领域,相较第一代材料硅有,突出的优势。

例如,硅基器件在600V以上高电压以及高功率场合达到其性能的极限,为了提升在高压/高功率下器件的性能,第三代半导体材料SiC应运而生。

不过在半导体第一大分类集成电路(低温、低压、代功率),未来很长的时间里还会是硅的天下。      

         从材料分类看,第三代半导体材料主要有四类,目前SiC、GaN两种材料为主:

(1)SiC;

(2)III族氮化物(典型代表GaN);

(3)宽禁带氧化物(典型代表ZnO),用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件,目前技术和应用不成熟,主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等;

(4)金刚石,用于光电子、生物医学、航空航天、核能等领域的大功率红外激光器探测器,技术和应用还在开发中。

下游应用主要有三大主类,分别为光电子器件、电力电子器件,和微波射频器件。

SiC在特斯拉、日本新干线等的应用  

       

GaN在小米快充等的应用

         

3、三代芯片材料

半导体衬底材料发展至今经历了三代:

第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体为代表,崛起于20世纪50年代始,其典型应用是集成电路主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中,比如,电脑CPU、GPU、内存、手机的SoC。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料,90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。

但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用,如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率;且其带隙宽度较窄,饱和电子迁移率较低,不利于研制高频和高功率电子器件。

第二代半导体材料是以砷化镓为代表,崛起于20世纪90年代始,砷化镓材料的电子迁移率约是硅的6倍,具有直接带隙,故其器件相对硅基器件具有高频、高速的光电性能,因此被广泛应用于光电子和微电子领域,例如,4G时代的大部分通信设备的材料,如毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航等。

由于第二代半导体材料的禁带宽度不够大,击穿电场较低,限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外,由于砷化镓材料的毒性,可能引起环境污染问题,对人类健康存在潜在的威胁。

近年来,以碳化硅为代表的第三代半导体材料在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势,进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求,主要作为5G时代的主要材料,用于高温、高频、抗辐射、大功率器件;蓝、绿、紫光二极管、半导体激光器等。

虽然第三代半导体材料有“四高一抗”的突出优点——高功率、高电压、高频率、高温、抗辐射,便其发展的瓶颈主要在于SIC衬底成本高,是Si的4-5倍,预计未来3-4年价格会逐渐降为Si的2倍。

         


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