5G通讯 让半导体行业重新进入一个新起点

【大比特导读】5G通讯，对于我们普通人而言，是个既熟悉又陌生的词组。它是被各大媒体争先报道的对象，也是中美经贸摩擦的重点问题，更是全球数字化进程下的基础建设，而通信行业在搭建5G网络的过程中，自然是少不了使用大量的半导体材料以及相关器件。

5G通讯，对于我们普通人而言，是个既熟悉又陌生的词组。它是被各大媒体争先报道的对象，也是中美经贸摩擦的重点问题，更是全球数字化进程下的基础建设，5G似乎正以一种比以往任何一场通讯革命都更猛烈的方式，进入我们的生活当中。

尽管目前各路运营商们对于5G通讯实际的情况理解都各不相同，但唯一可以确认的是我们使用的网络性能将会得到大幅度提升，并引领我们迈向一个过去不敢想象的世界。

“新基建”政策东风

新型基础设施建设，简称“新基建”，指以5G、人工智能、数据中心、工业互联网、物联网为代表的新型基础设施建设，本质上是数字化的基础设施。

随着国内疫情情况不断向好，居于新基建首要位置的5G产业也正在为中国经济发展注入新活力。近期，工信部相继发布5G+工业互联网的512工程，关于推动5G加快发展的通知等政策。相关政策将凝聚了数字转型共识，加速5G与经济 社会 各领域融合发展的步伐，特别是在行业应用领域，智慧医疗、新闻媒体、智慧城市、车联网和工业互联网等领域的应用占比接近10%，已成为5G新兴应用领域。

5G基站现状如何?

中国是目前全球5G商用网络规模最大的国家。截止目前，据工业和信息化部信息通信发展司司长、新闻发言人闻库介绍，每一周平均新开通的5G基站都超过1.5万个，到6月底，3家企业在全国已建设开通的5G基站超过了40万个。

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另外，5G开放式小基站建设也能满足垂直行业应用的多样化需求，催生更加丰富的建网模式。

目前已有197款5G终端拿到了入网许可，今年5G手机出货量达8623部，截至6月底有6600万部终端连入网络。

这里需要注意的是，由于5G具备三大典型的应用场景增强型移动宽带(eMBB)、大连接物联网(mMTC)与低时延、高可靠通信(uRLLC)。针对这三大应用场景，基站的建设需要结合实际情况而制定方案，并与以往4G基站建设有较大的出入。

正因为该三大典型应用场景，超可靠低延迟通信对于5G的发展来说才有了非同寻常的意义。近日，国际标准组织3GPP宣布R16标准正式冻结，也就意味着5G走入万物互联的阶段可算是奠定了基础。其中最大的体现就是，不管是工业场景还是自动驾驶的 汽车 等，都不允许通信产业中断或者延迟，否则后果难以设想。

5G传感器应用场景联接

其实我们不妨设想一下，当我们生活中的机器有足够多的5G应用类传感器时，我们就可以监控它，并由该机器的电子系统自主学习应用程序，知会我们什么时候需要维修或者更换部件、 *** 作系统等。以航空飞机为例，当飞机行驶一定行程后，系统会即时显示飞机内部部件的磨损迹象，在飞机着陆的那一刻，备用零件就已经准备就绪，或有人会进行精准替换。

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另外，在工业自动化领域也是需要对于价值高昂的设备进行实时监控与维护，所以能够快速接受并处理海量数据的5G应用类传感器就显得不可或缺。

在近期，GSMA举办的新基建与企业数字化论坛上，华为无线网络首席营销官甘斌就对于5G应用场景联接提出了他的看法，甘斌表示，首先，基于大带宽、低时延能力，5G网络将数百亿终端产生的海量数据实时上传到云，为云端人工智能运算提供无穷算据，并实时进行运算和处理，缩短了训练周期。其次，云端的算力应用到终端，可减少终端对本地运算能力的要求，降低终端的成本，解锁终端的资源限制，并提升用户体验。

半导体行业下一波增长趋势

5G通讯网络的建设对应的是通信行业，而通信行业在搭建5G网络的过程中，自然是少不了使用大量的半导体材料以及相关器件，甚至到了未来建设中后期，诸多应用将可以在5G网络上实现，包括物联网、人工智能、大数据、云计算、智能家居、智能驾驶等等，当这些应用接入5G通信网络的时候，更是需要有强大性能的半导体芯片支撑。

根据韩国电子和电信研究院预计，今年5G网络设备的全球市场规模将在378亿美元(约合人民币2647.25亿元)左右，并且由于“到2024年5G将覆盖全球40%以上的人口”，上述5G网络投资数字还将继续增长。

另外，SIA在本周发布的全球芯片行业年度调查中表示，全球半导体市场的年销售额接近5000亿美元。尽管最近有所下降，但通信和计算驱动着上升趋势，预计5G无线和机器学习等新兴技术将扭转当前的下滑趋势。并且，在《世界半导体贸易统计》(WSTS)预测中2021年全球芯片销售将以每年6.2%的速度 健康 增长。

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可见，随着5G技术商用的全面展开，对于半导体等智能芯片制造行业的需求缺口将得到不断扩充，并在该些领域提供了未来新兴发展方向，推动 科技 的升级与迭代。

例如在智能家居：在计算回家距离时，就已经会将室内温度调节到舒适状态，客厅的交互界面会显示时间、天气、室内设备运作情况等等。对此，晶讯软件华南区区域销售经理刘洋表示，5G技术对于智慧生活是一次质的提升，无感式控制联合的半导体芯片器件则能使用户真正感受到智能交互的魅力。

而在智能驾驶：5G技术已经为信息交互和 汽车 革新等新型发展趋势提供了应用方向，而且整车的电子元器件比重逐步也在提升，减少车辆系统损耗以及提高系统效率的技术更是迭代更新。由于5G网络使云端系统与车辆之间或车辆状况进行更为频繁的信息交互，通过减少人为干预，提供更优质的车辆驾乘体验，实现即刻反馈的机制，那么这就对通讯技术和半导体器件有着性能升级的要求，而在半导体功率器件方面，降低损耗的技术趋势则是关键。

对此，PI区域大功率市场应用工程师王强认为，首先减少系统的损耗是一个系统的工程，它包括电机、电驱动以及变速箱三个组件的损耗，最主要的就是在电控部分，目前由于很多厂商开始应用新的技术器件，例如有碳化硅、氮化镓材料助力，因此能一定程度上缩小体积，从而提高系统效率。

总之，5G通讯技术让我们意识到，在这个万物互联的时代里，技术上的挑战往往都伴随着不同工艺技术、不同材料品质、不同功能优化之间的多样整合，创新及创造高价值的终端应用产品是主要趋势。

国产替代的前半场

值得一提的是，目前受华为事件影响，国内在众多领域的龙头厂商都在加快国产半导体投入的节奏，国产替代也会成为未来几年国内半导体发展的主线。尤其是5G通讯被视为一系列最高级技术的大荟萃，这就让国产芯片设计变得更加困难，而且在芯片的灵活性、可编程性等功能有着更严苛的要求。

那么如何制定总体方案、确定技术路线，选择基础平台，搭建开发环境、决定流片工艺等等，都是国内半导体企业行动前值得考虑的问题。毕竟在5G技术影响下的国产替代前半场中，如通信基站、传感器、芯片、电源设备等元器件需求都得到集中式爆发阶段，据中国信通院预测，预计到2025年5G网络建设投资累计将达到1.2万亿元。此外，5G网络建设还将带动产业链上下游以及各行业应用投资，预计到2025年将累计带动超过3.5万亿元投资。

当中我们还需要注意得是，5G网络的的投入使用是要与大数据、物联网、云计算等层面深度融合，才能真正使5G通讯发挥实打实的作用。根据全球移动通信系统协会预测,到2025年,各大领域接入5G网络并实现互连的设备将达250亿。

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由此可见，在这庞大的市场规模背后，是亟需国产半导体器件的技术支持。易良盛 科技 (天津)有限公司研发总监许宏彦表示，相比国外半导体器件供应商，国内厂商最大的特点就是物美价廉、供货稳定、服务周到，并且通过这些年的技术积累及国内半导体工艺的成熟，国产替代的产品现在不但做到了价格便宜，质量方面也毫不逊色，甚至在借助后发优势，国产元器件在某些参数上已经超越国外品牌产品。

总的来说，随着5G通讯技术应用，各领域的国产替代会逐渐走向成熟阶段，将持续为中国经济提供动力基础，并将推动国内半导体在技术领域和应用领域的不断进步。

半导体的应用, 半导体有哪些常见的应用

半导体一般指矽晶体,它的导电性介于导体和绝缘体之间。

半导体是指导电能力介于金属和绝缘体之间的固体材料。按内部电子结构区分，半导体与绝缘体相似，它们所含的价电子数恰好能填满价带，并由禁带和上面的导带隔开。半导体与绝缘体的区别是禁带较窄，在2～3电子伏以下。

典型的半导体是以共价键结合为主的，比如晶体矽和锗。半导体靠导带中的电子或价带中的空穴导电。它的导电性一般通过掺入杂质原子取代原来的原子来控制。掺入的原子如果比原来的原子多一个价电子，则产生电子导电；如果掺入的杂质原子比原来的原子少一个价电子，则产生空穴导电。

半导体的应用十分广泛，主要是制成有特殊功能的元器件，如电晶体、积体电路、整流器、镭射器以及各种光电探测器件、微波器件等。

半导体的应用的问题

1楼2楼耸人听闻，哪有那么严重。在半导体材料投入使用以前二战都已经结束了，大量采用电子管的电器装置已经投入民用。众所周知的事实是前苏联半导体材料发展极度落后，无论米格-25歼击机还是联盟号宇宙飞船都还使用着电子管装置，直到九十年代以后俄罗斯才逐步跟上来。

对日常生活的影响，简单地说——

一切使用微控制器也就是所谓“电脑板”的电器都重归机械控制；

不会出现微型计算机，只有巨型机/大型机/小型机，即便有了个人电脑也要衣柜那么大个，耗电量惊人，绝对奢侈品，笔记本就更不用说了；

没有微机当然更没有游戏机了，玩魂斗罗超级玛丽警察抓小偷永远是幻想；

收音机最小也要新华词典那么大，注意：是辞典不是字典；

电视机仍然是阴极射线管的，因为根本生产不出液晶板，不过幸好还能看到彩电；

微波炉可能要洗碗柜那么大吧？因为电子管是很占体积的；

洗衣机是半自动型的，使用机械定时器——微波炉也是。

冰箱一定是外形大大，立升小小，噪音隆隆，前苏联就有那种玩意的实物；

照相机继续用胶卷的，什么数码DC/DV统统不存在；

摄像机会相当笨重，只能用录影带；

您好！这里是邮电局，打电话请用拨盘拨号，如需拨往外地请让我为您转接……呃，这位同志，程控交换机是什么东西？——某人工接线员；

不存在什么VCD、DVD，录影机/放像机也不太会普及——太大、太贵；

没有了微型计算机你会感觉到练得一笔好字的必要性；

飞机导d卫星飞船空间站照样满天飞，战舰航母潜艇坦克照样满世界溜达；

网际网路可能会有，但那将是各国官方、军方和科研机构御用的玩意，跟咱老百姓没啥关系；

……能想起来的差不多都写上了。

半导体的应用，最好说详细点。

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗？那将是一个混乱的世界，无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号，这些全部都是用数字表达的！电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间，我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来，音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受，数字化被我们随身携带着，从而拥有了更加多变的视听新感受，音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和储存器（RAM），它们是以大规模积体电路为基础建造起来的，而这些积体电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能，相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI（Silicon On Insulator）等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温（300~500°C）、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能，是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换，常常需要将各种形式的资讯，如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等，一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏度和稳定的感光材料，例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料，目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管（CRT），广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上，CRT目前采用的电致发光材料，大都使用稀土掺杂（Tb3+、Sn3+、Eu3+等）和过渡元素掺杂（Mn2+）的硫化物（ZnS、CdS等）和氧化物（Y2O3、YAlO3）等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积，资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化，为此主要采用了液晶显示技术（LCD）、场致发射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极体显示技术（LED）等平板显示技术，广泛应用在高清晰度电视（HDTV）、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上，CRT不再是一支独秀，而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用，液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料，后来发展了铁电型（FE）液晶，响应时间在微秒级，但铁电液晶的稳定性差，只能用分支法（side-chain）来改进。目前趋向开发反铁电液晶，因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难，目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器（PDP）和发光二极体（LED）。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动场发射显示（FED）的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展，人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太（兆兆）数字位（Tb，1012bits），超高速资讯流每秒达太位（Tb/s），可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样，以计算机系统储存为例，储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快，因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器（DRAM）为主，256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式，磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进，相继采用了磁性氧化物（如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等）、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料，磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体（闪）储存器（flash memory）是不挥发可擦写的储存器，是基于半导体二极体的积体电路，比较紧凑和坚固，可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料，如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻（GMR）材料，在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成，其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料，在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜，导电层为数nm的铜薄膜，钉扎层为数nm的软磁Co合金，磁化固定层用5～40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体，并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头，将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍，因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

半导体的具体应用

最常见的：半导体收音机、掌上计算器、电脑内的主机板显示卡等硬体都要用道半导体、电视机里的部件也要用半导体晶片、手机内部的部件、汽车内也要用到的一些部件。目前大部分将用电器都要用到数字晶片，而不是模拟的（DSP），这些晶片说白了就是用半导体做成的。

半导体镭射器的应用

半导体二极体镭射器在镭射通讯、光储存、光陀螺、镭射列印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用

还可以作为固体镭射器的泵浦源，安防领域照明光源，现在应用的领域非常广了

半导体的三个广泛应用：

一、在无线电收音机（Radio）及电视机（Television）中，作为“讯号放大器/整流器”用。

二、近来发展太阳能（Solar Power），也用在光电池（Solar Cell）中。

三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，解析度可达0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是价效比极高的一种测温元件。

参考百度百科，仅供参考！

半导体在生活中的应用

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗？那将是一个混乱的世界，无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号，这些全部都是用数字表达的！电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间，我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来，音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受，数字化被我们随身携带着，从而拥有了更加多变的视听新感受，音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和储存器（RAM），它们是以大规模积体电路为基础建造起来的，而这些积体电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能，相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI（Silicon On Insulator）等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温（300~500°C）、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能，是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换，常常需要将各种形式的资讯，如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等，一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏度和稳定的感光材料，例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料，目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管（CRT），广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上，CRT目前采用的电致发光材料，大都使用稀土掺杂（Tb3+、Sn3+、Eu3+等）和过渡元素掺杂（Mn2+）的硫化物（ZnS、CdS等）和氧化物（Y2O3、YAlO3）等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积，资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化，为此主要采用了液晶显示技术（LCD）、场致发射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极体显示技术（LED）等平板显示技术，广泛应用在高清晰度电视（HDTV）、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上，CRT不再是一支独秀，而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用，液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料，后来发展了铁电型（FE）液晶，响应时间在微秒级，但铁电液晶的稳定性差，只能用分支法（side-chain）来改进。目前趋向开发反铁电液晶，因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难，目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器（PDP）和发光二极体（LED）。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动场发射显示（FED）的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展，人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太（兆兆）数字位（Tb，1012bits），超高速资讯流每秒达太位（Tb/s），可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样，以计算机系统储存为例，储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快，因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器（DRAM）为主，256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式，磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进，相继采用了磁性氧化物（如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等）、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料，磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体（闪）储存器（flash memory）是不挥发可擦写的储存器，是基于半导体二极体的积体电路，比较紧凑和坚固，可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料，如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻（GMR）材料，在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成，其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料，在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜，导电层为数nm的铜薄膜，钉扎层为数nm的软磁Co合金，磁化固定层用5～40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体，并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头，将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍，因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

声视领域内镭射唱片和镭射唱机的兴起，得益于光储存技术的巨大发展，光碟存贮是通过调制镭射束以光点的形式把资讯编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁储存技术相比，光碟储存技术具有储存容量大、储存寿命长；非接触式读/写和擦，光头不会磨损或划伤盘面，因此光碟系统可靠，可以自由更换；经多次读写载噪比（CNR）不降低。光碟储存技术经过CD（Compact Disk）、DVD（Digital Versatile Disk）发展到将来的高密度DVD（HD-DVD）、超高密度DVD（SHD-DVD）过程中，储存介质材料是关键，一次写入的光碟材料以烧蚀型（Tc合金薄膜，Se-Tc非晶薄膜等）和相变型（Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料）为主，可擦重写光碟材料以磁光型（GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜）为主。光碟储存的密度取决于镭射管的波长，DVD盘使用的InGaAlP红色镭射管（波长650nm）时，直径12cm的盘每面储存为4.7千兆位元组（GB），而使用ZnSe（波长515nm）可达12GB，将来采用GaN镭射管（波长410nm），储存密度可达18GB。要读写光盘里的资讯，必须采用高功率半导体镭射器，所用的镭射二极体采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。

镭射器除了在光碟储存应用之外，在光通讯中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体镭射器，使光纤通讯成为现实。光通讯就是由电讯号通过半导体镭射器变为光讯号，而后通过光导纤维作长距离传输，最后再由光讯号变为电讯号为人接收。光纤所传输的光讯号是由镭射器发出的，常用的为半导体镭射器，所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维，光通讯也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通讯的关键材料，目前所用的光学纤维感测材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等，1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通讯的出现是资讯传输的一场革命，资讯容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强，是光纤通讯的优点。光纤通讯的高速发展为现代资讯高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。

除了有线传播外，资讯的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是行动电话。行动电话的使用者愈多，所使用的频率愈高，现在正向千兆周的频率过渡，电话机的微波发射与接收亦是靠半导体电晶体来实现，其中部分Si电晶体正在被GaAs电晶体所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）及体声波BAW（Bulk Surface Acoustic Wave）器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2（Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd）体系、复合钙钛矿A（B1/3B￠2/3）O3体系（A=Ba,Sr；B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn；B￠=Nb,Ta）和铅基复合钙钛矿体系等材料上。

随着智慧化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大，以及手持电话、掌上电脑PDA、膝上型电脑和其它行动式资讯及通讯装置的迅速普及，进一步带动了温度感测器和热敏电阻的大量需求，负温度系数（NTC）热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成，其阻值随温度的升高呈指数型下降，阻值-温度系数一般在百分之几，这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数（PTC）热敏电阻一般都是由BaTiO3材料新增少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的，这种材料在温度上升到居里温度点时，其阻值会以指数形式陡然增加，通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器（LCD）影象对比度调节、蜂窝式电话和移动通讯系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中，来进行温度补偿，以保证器件效能稳定；此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、印表机的列印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中，发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止膝上型电脑常效应管（FET）的热击穿等。

为了保证资讯执行的通畅，还有许多材料在默默地作著贡献，例如，用于制作绿色电池的材料有：镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料；行动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD装置和游戏机等数字音/视讯装置等中钽电容器所用材料；现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途；印刷电路板（PCB）及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板（CCL）用材料；环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和积体电路晶片的封装材料；积体电路用关键结构与工艺辅助材料（高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等），不一而足，这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料，正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。

随着科技的发展，大规模积体电路将迎来深亚微米（0.1mm）矽微电子技术时代，小于0.1mm的线条就属于奈米范畴，它的线宽就已与电子的德布罗意数相近，电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性，因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题，导致常说的矽微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多，光的频率比无线电的频率高得多，为提高传输速度和载波密度，资讯的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种镭射晶体和光电子材料，如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等，所有这些材料将为以光通讯、光储存、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着资讯材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展，将会出现单电子储存器、奈米晶片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等奈米电脑，将会极大地影响着人类的数字生活。

本世纪以来，以数字化通讯（Digital Communication）、数字化交换（Digital Switching）、数字化处理（Digital Processing）技术为主的数字化生活（Digital Life）正在向我们招手，一步步地向我们走来——清晨，MP3音箱播放出悦耳的晨曲，催我们按时起床；上班途中，开启随身携带的膝上型电脑，进行新一天的工作安排；上班以后，通过网际网路召开网路会议、开展远端教学和实时办公；在下班之前，我们远端启动家里的空调和溼度调节器，保证家中室温适宜；下班途中，开启手机，悠然自在观看精彩的影视节目；进家门前，我们接收网上订购的货物；回到家中，和有线电视台进行互动，观看和下载喜欢的影视节目和歌曲，制作多媒体，也可进入社群网际网路，上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙？似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边，随着新一代家用电脑和网际网路的出现，如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时，饮水思源，请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界！

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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