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第三代半导体行业报告:碳化硅、氮化镓(26页)

行业报告下载 2020年12月17日 06:17 1 管理员

三代半导体材料之间的主要区别是禁带宽度。现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论, 能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带,价带被电子填满且导带上无电子时,晶体不 导电。当晶体受到外界能量激发(如高压),电子被激发到导带,晶体导电,此时晶体被击穿,器 件失效,禁带宽度代表了器件的耐高压能力。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁 带宽度的近3倍,具有更强的耐高压、高功率能力。第三代半导体材料能量密度更高。以氮化镓为例,其形成的HEMT器件结构中,其能量密度约为5- 8W/mm,远高于硅基MOS器件和砷化镓射频器件的0.5-1W/mm的能量密度,器件可承受更高的 功率和电压,在承受相同的功率和电压时,器件体积可变得更小。半导体芯片结构分为衬底、外延和器件结构。衬底通常起支撑作用,外延为器件所需的特定薄膜, 器件结构即利用光刻刻蚀等工序加工出具有一定电路图形的拓扑结构。  

碳化硅热导率高于氮化镓。第三代半导体的应用场景通常为高温、高压、高功率场景,器件需要具 有较好的耐高温和散热能力,以保证器件的工作寿命。碳化硅的热导率是氮化镓热导率的约3倍, 具有更强的导热能力,器件寿命更长,可靠性更高,系统所需的散热系统更小。氮化镓单晶生长困难。氮化镓因为生长速率慢,反应副产物多,生产工艺复杂,大尺寸单晶生长困 难,目前氮化镓单晶生长尺寸在2英寸和4英寸,相比碳化硅难度更高。因此第三代半导体目前普遍 采用碳化硅作为衬底材料,在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延,在高频领域选择氮化镓外延。碳化硅衬底器件体积更小。由于碳化硅具有较高的禁带宽度,碳化硅功率器件可承受较高的电压和 功率,其器件体积可变得更小,约为硅基器件的1/10。  

碳化硅器件电阻更小。同样由于碳化硅较高的禁带宽度,碳化硅器件可进行重掺杂,碳化硅器件的 电阻将变得更低,约为硅基器件的1/100。碳化硅衬底材料能量损失更小。在相同的电压和转换频率下,400V电压时,碳化硅MOSFET逆变 器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的29%-60%之间;800V时,碳化硅MOSFET逆变器的能量损 失约为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。碳化硅器件的能量损失更小。相较于硅基IGBT,碳化硅MOSFET电动车的续航里程更长。对于EPA 城市路况,碳化硅MOSFET 相较于硅基IGBT,将节省77%的能量损耗;对于EPA 高速路况,碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT, 节省85%的能量损耗。能量损耗的节省导致车辆续航里程的增加,使用碳化硅MOSFET的电动车比 使用硅基IGBT电动车将增加5-10%的续航里程。

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