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碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体资料双雄能否带我国完成弯道超车?

2019-02-10 02:21
来历: 与非网

在实际世界中,没有人能够和“半导体”撇清联络。尽管这个概念听上去或许显得有些严寒,可是你每天用的电脑,手机以及电视等等,都会用到半导体元件。半导体的重要性自不必说,今日咱们来说一下半导体工业中一个很要害的组成部分,那便是半导体资料。

半导体资料是制作晶体管、集成电路、电力电子器材、光电子器材的重要资料。其开展经过了三个首要阶段:以硅为代表的第一代半导体资料、以砷化镓为代表的第二代半导体资料、以碳化硅为代表的第三代半导体资料。第三代半导体资料在许多方面具有宽广的运用远景,跟着技能的前进,资料工艺与器材工艺的逐步老练在高端范畴将逐步替代第一代、第二代半导体资料,成为电子信息工业的操纵。

今日咱们首要说的便是第三代宽禁带半导体资料。

第三代半导体资料—宽禁带半导体资料

当时,电子器材的运用条件越来越恶劣,要习惯高频、大功率、耐高温、抗辐照等特别环境。为了满意未来电子器材需求,有必要选用新的资料,以便最大极限地进步电子元器材的内涵功能。近年来,新开展起来了第三代半导体资料--宽禁带半导体资料,该类资料具有热导率高、电子饱满速度高、击穿电压高、介电常数低一级特色,这就从理论上确保了其较宽的适用规模。现在,由其制作的器材作业温度可到达600 ℃以上、抗辐照1×106 rad;小栅宽GaN HEMT 器材分别在4 GHz下,功率密度到达40 W/mm;在8 GHz,功率密度到达30 W/mm;在18 GHz,功率密度到达9.1 W/mm;在40 GHz,功率密度到达10.5 W/mm;在80.5 GHz,功率密度到达2.1 W/mm,等。因而,宽禁带半导体技能已成为当今电子工业开展的新式动力。

进入21世纪以来,跟着摩尔定律的失效大限日益接近,寻觅半导体硅资料替代品的使命变得十分急迫。在多位选手轮流上台后,有两位锋芒毕露,它们便是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体资料的双雄。

碳化硅资料

碳化硅(SiC)俗称金刚砂,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿藏的方式存在。SiC是现在开展最老练的宽禁带半导体资料,现已形成了全球的资料、器材和运用工业链。

碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体资料双雄能否带我国完成弯道超车?


SiC器材和电路具有超强的功能和宽广的运用远景,因而一向受业界高度重视,根本形成了美国、欧洲、日本鼎足之势的局势。现在,世界上完成碳化硅单晶抛光片产品化的公司首要有美国的Cree公司、Bandgap公司、Dow Dcorning公司、II-VI公司、Instrinsic 公司;日本的Nippon公司、Sixon公司;芬兰的Okmetic公司;德国的SiCrystal公司,等。其间Cree公司和SiCrystal公司的商场占有率超越85%。在一切的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强,其碳化硅单晶资料的技能水平可代表了世界水平,专家猜测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底商场上名列前茅。美国Cree公司1993年开端有6H碳化硅抛光片产品出售,曩昔的十几年里不断有新品种参加,晶型由6H扩展到4H;电阻率由低阻到半绝缘;尺度由2寸到6寸,150 mm(6英寸)抛光片已投入商场。

氮化镓资料

氮化镓

氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种直接能隙的半导体,在大气压力下,GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构,它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的1/2;其化学性质安稳,常温下不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以十分缓慢的速度溶解;在HCl或H2下高温中出现不安稳特性,而在N2 下最为安稳。GaN资料具有杰出的电学特性,宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106 V/cm)、高电子迁移率(室温1000 cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013 cm-2)等,因而被认为是研讨短波长光电子器材以及高温高频大功率器材的最优选资料,相对于硅、砷化镓、锗乃至碳化硅器材,GaN器材能够在更高频率、更高功率、更高温度的情况下作业。别的,氮化镓器材能够在1~110GHz规模的高频波段运用,这覆盖了移动通讯、无线网络、点到点和点到多点微波通讯、雷达运用等波段。近年来,以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子范畴和微波器材方面的运用远景而遭到广泛的重视。

碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体资料双雄能否带我国完成弯道超车?

作为一种具有共同光电特点的半导体资料,GaN的运用能够分为两个部分:凭仗GaN半导体资料在高温高频、大功率作业条件下的超卓功能可替代部分硅和其它化合物半导体资料;凭仗GaN半导体资料宽禁带、激起蓝光的共同性质开发新的光电运用产品。现在GaN光电器材和电子器材在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等运用范畴具有显着的竞赛优势,其间高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当时器材制作范畴最为感兴趣和重视的。

GaN功率器材的制作工艺与GaAs工艺类似度高,乃至许多设备都是一起支撑两种资料的工艺,因而,许多GaAs器材厂商逐步添加GaN器材事务。现在,整个GaN功率半导体工业处于起步阶段,各国方针都在大力推动该工业的开展。世界半导体大厂也纷繁将目光投向GaN功率半导体范畴,关于GaN器材厂商的收买、协作不断发作,650V以下的平面型HEMT器材现已完成了工业化。

碳化硅与氮化镓的优缺点:

碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体资料双雄能否带我国完成弯道超车?

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