5G背景下「第三代半导体」技术的核心优势

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世界移动通信大会(WMC2019)于2月25日在巴塞罗那开幕。而就在大会开幕的前夕,中国厂商华为正式发布了旗下首款5G折叠手机:华为Mate X。

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华为Mate X采用了柔性折叠屏设计,搭载了华为自研的7nm芯片麒麟980处理器,内置巴龙5000 5G基带,4.6Gbps峰值下载速度,可以让用户享受到3秒下载一部3GB电影的极速快感。

然而,未来的5G通讯系统对移动通信基站的带宽要求达1 GHz,传统的Si-LDMOS 技术已无法满足需求;随着环保理念不断深入人心,运营商对于移动通信基站的效率提出了越来越高的需求,而射频功率放大器是基站设备中主要的能耗部件,大带宽、高效率、小体积,轻质量、低成本的射频功率放大器需求日益迫切。

因此SiC、GaN材料及器件的研究对于5G通讯具有重要意义,是需要进一步发展的高核心技术。

什么是SiC、GaN材料?

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),是继第1代硅(Si)、锗(Ge)和第2代砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等材料之后发展起来的第3代半导体材料。

第3代半导体主要以SiC、GaN的场效应管为主流,已成为突破600 ℃工作温度、超过兆瓦级的固态功率电子学和10 W/mm高功率密度射频电子的关键器件,属于半导体科学、材料科学、高温电子学、兆瓦功率电子学、高功率微波电子学等跨学科前沿研究领域。

第一代半导体材料

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)元素半导体。它们是半导体分立器件、集成电路和太阳能电池的最基础材料。

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金属硅块

几十年来,硅芯片在电子信息工程、计算机、手机、电视、航天航空、新能源以及各类军事设施中得到极为广泛的应用,在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。

第二代半导体材料

第二代半导体材料是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP),以及三元化合物半导体材料,如铝砷化镓(GaAsAl)、磷砷化镓(GaAsP)等。还有一些固溶体半导体材料,如锗硅(Ge-Si)、砷化镓-磷化镓(GaAs-GaP)等;玻璃半导体(又称非晶态半导体)材料,如非晶硅、玻璃态氧化物半导体等;有机半导体材料,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。随着世界互联网的兴起,这些器件还被广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航系统等领域。

第三代半导体材料

第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(禁带宽度Eg>2.3eV)的半导体材料。

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与第一二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2eV),亦被称为高温半导体材料。

SiC 正凭借其优良的性能,在许多领域可以取代硅,打破硅基材料本身性能造成的许多局限性。SiC 将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域,以其优异的半导体性能在各个现代技术领域发挥其重要的革新作用,应用前景巨大。

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氮化镓(GaN)是极其稳定的化合物,又是坚硬和高熔点材料,熔点为1700℃。GaN 具有高的电离度,在三五族化合物中是最高的(0.5 或0.43)。在大气压下,GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构,因为其硬度大,所以它又是一种良好的涂层保护材料。GaN 具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。

从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)——并称为第三代半导体材料的双雄。

第三代半导体材料主要应用领域

作为一类新型宽禁带半导体材料,第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点:如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力,被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”,是光电子和微电子等产业的“新发动机”。

此外,第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体材料,也是最具有发展前景的两种材料。

从应用范围来说,第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点。在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。

在巨大优势和光明前景的刺激下,目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域,但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢,宽禁带半导体技术亟待突破。

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