第三代半导体能否走出“芯”天地?

台海网10月27日讯 据厦门日报报道 最近,“芯片”“IC”“光刻机”“三代半”等成为热门话题,在股票市场上,第三代半导体概念股也成为股市的热点。因此,我们有必要了解什么是第三代半导体?第三代半导体有哪些用途?对我国国民经济有什么意义?

半导体材料发展经历三个阶段

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类材料,半导体材料经历了三个发展阶段,不同阶段出现的材料被称为第一代、第二代、第三代半导体材料。

第一代半导体又称为“元素半导体”,典型如硅基和锗基半导体。20世纪50年代,锗在半导体中占主导地位,到了20世纪60年代逐渐被硅(Si)取代。目前硅的制造技术最成熟,应用最广,至今全球95%以上的半导体芯片和器件仍是用硅片生产出来的,广泛应用于信息处理和自动控制等领域。以集成电路(IC)为核心的现代微电子工业的发展,促进了全球整个IT信息产业的飞跃发展。硅材料自然界蕴藏量大,制造工艺成熟,成本低,人们对其性能最了解,在硅的表面很容易制备二氧化硅薄膜,非常适合于平面集成电路的制备,它在低压、大规模逻辑器件如CPU(电脑和手机的中央处理器)、人工智能芯片等电子和微电子领域具有较大的优势。但它工作频率不高、抗辐射性能不强、耐热和耐高压性能较差、光电性能差,因此在光电子领域和微波通信等应用方面受到局限。

20世纪80年代出现的第二代半导体是化合物半导体,包含有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)以及许多其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体(由元素周期表ⅢA族和ⅤA族元素组成的一类半导体材料。如砷化镓、磷化镓等),具有高频、抗辐射、低功耗的特性,主要用于制作高频微波、毫米波器件以及发光电子器件,广泛应用于移动通信、光通讯、LED发光器件、激光器、GPS导航等,它引发了光电产业、互联网和移动通信的革命。但是砷化镓、磷化铟等材料中的镓和铟属于稀缺资源,且制造工艺难度较大,大尺寸晶圆制备难,成本较高,虽然它们在高频方面有优势,但在耐高温、大电流、大功率方面性能并无优势,并且有的还带有毒性,对环境有影响,使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。

21世纪初出现的第三代半导体包含氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等化合物,又被称为宽禁带半导体,也被简称为“三代半”。它与前两代相比,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、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、大功率及抗辐射器件,可满足现代电子技术对高功率密度、高击穿电压、高频率响应,以及耐高温、抗辐射等在恶劣环境下工作可靠性的要求,因此,被认为是最有发展前景的半导体材料。但是由于制造工艺难度大、成本高,基于三代半材料的器件品种还较少,目前占半导体市场中的份额还很小。

半导体这三个所谓的“代”,并不是像移动通信3G、4G、5G那样“后一代替代前一代”的关系,而是新一代根据其特性在某些应用领域挤占了前一代的部分市场份额,同时也拓展了新的市场。它们各有各的优势,之间的关系与其说是“代”的关系,倒不如说是“兄弟”关系。

全产业链布局第三代半导体

我国是全球最大的半导体消费国,但我国的半导体产业发展相对滞后,产品80%以上靠国外进口,特别是高端芯片产品几乎完全依赖进口。目前,加快发展半导体产业已成为我国的一项重要战略任务。相对于第一代、第二代半导体,第三代半导体目前国际上尚处于起步发展阶段,我国追赶国际先进水平机会更大。虽然目前它的市场比重还比较小,但我国随着5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”的开展,未来对高频、高压、高功率密度、高能效器件的需求将加大,第三代半导体在这些方面有着无可比拟的优势。这些高端需求将带动第三代半导体技术进步和相关产品的开发,可以预见当需求拉动叠加成本降低,第三代半导体应用将迎来爆发性增长。

在2016年国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》中,第三代半导体被列为国家面向2030年重大项目之一。厦门市也把第三代半导体产业列入着力培育的具有发展潜力的十大未来产业。近年来在中央和各地政府出台政策的大力支持下,以及伴随新能源、智能制造、人工智能、5G通信等现代产业兴起所带来的庞大市场需求的推动下,一大批行业龙头企业近年来纷纷展开大规模投资,以期赢得发展先机。目前国内厂商在第三代半导体有全产业链的布局,产业已呈现快速发展势头。

夯实第三代半导体产业基础

虽然第三代半导体有着诸多优异的性能,但它也不是“万用神丹”。例如,智能手机中的处理器、电脑中的CPU等,从目前看不太有可能换为第三代半导体材料,至少在相当长的时间里第三代半导体还不可能完全取代前两代。

第三代半导体是以宽禁带为标志,决定了它的制造难度不可能比前两代低,暂且不说它能否制成各种功能的替代芯片,就是生产同样功能的器件,第三代半导体对制造工艺和设备的要求也不可能更低,成本也难以更低。

第三代半导体无论是单晶生长、外延层生长还是器件制造,目前处于领先地位仍是美国、欧洲、日本。况且许多基础的半导体工艺技术是相通的,无论哪一代半导体都需要,而在这些基础方面人家比我们强,想跳过或绕过这些薄弱点弯道超车或换道超车,是不太现实且有风险的。产业的发展有其自然规律,我们可以通过政策、资金等推动加快发展,而不应是光想着跳过、绕过或其他取巧的方式。要改变我们在半导体芯片方面的被动局面,光靠第三代半导体是不够的,更不是一朝一夕就能实现的,需要上游的材料和设备,中游的芯片设计、制造和封测,下游的应用等全产业链较长时期的共同努力,补上我们在半导体基础技术、工艺、设备等方面的短板,夯实基础,才有可能实现在第三代半导体突破性发展。(厦门市老科协 供稿)

本文源自头条号:台海网

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