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“摩尔定律”引领着半导体快速发展,布局第三代半导体已刻不容缓

日期:2021/6/10 10:37:38
摘要:第三代半导体材料可以实现更好的电子浓度和运动控制 ,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件,在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。目前,市场火热的5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。

二十一世纪以来,以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表的第三代半导体材料开始初露头角。第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性。第三代半导体材料可以实现更好的电子浓度和运动控制 ,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件,在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。目前,市场火热的5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。

1、半导体的工作原理

要理解这些,我们要从什么是半导体说起。半导体,顾名思义,就是导电性在绝缘体和导体之间的物体。导体能导电,意思就是能够让电流通过。而中学物理告诉我们,电流就是自由电子在电场力的作用下做定向运动形成的。所以,导体中必须有大量的自由电子。那么这些自由电子怎么来的呢?我们知道,物质是由分子构成的,分子是由原子构成的,原子是由原子核以及围绕在周围的电子构成的。原子核带正电荷,电子带负电荷,异性相吸,所以电子围绕在原子核周围不停地转。

第三代半导体概念,这是近期A股的高光赛道之一,看到这,有些朋友就开始纳闷了,第一代和第二代半导体都不知道是啥,咋就这么快到第三代了?有道是“江山代有才人出”,日新月异的科技领域更是如此,那么,第三代半导体究竟是啥?

在说第三代半导体之前,先简简单单地了解一下第一代和第二代半导体:

1、第一代半导体

第一代半导体的一代目是硅(Si)和锗(Ge),其中,锗(Ge)是20世纪50年代半导体的绝对主角,到了20世纪60年代后期,锗(Ge)的地位则是逐渐被硅(Si)所取代,犀利的是——截止目前,硅(Si)仍是相当重要的半导体材料,还没有半导体能够洒脱地离开硅(Si)而扬长而去。硅(Si)之所以如此重要,是因为CPU和GPU的算力强弱取决于硅的段位。

在这里,顺带科普一下硅,硅,英文名称Silicon,化学符号是Si,属于元素周期表上第三周期,IVA族的类金属元素。

1787年,法国著名化学家、生物学家,有着"现代化学之父"尊称的安托万-洛朗·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743年8月26日~1794年5月8日)在岩石之中首次发现硅的存在,硅是组成岩石矿物的一个基本元素。据悉,硅在大自然乃至全宇宙都是神奇般的存在,存在感爆棚,它是地壳之中仅次于氧的第二丰富元素,在茫茫宇宙之中,硅的储量也能位居TOP10的第8位。

不过,需要明确的一点是——虽然硅存在感爆棚,但是极少以单质形式存在,而是硅酸盐(Silicate)或二氧化硅(SiO)的形式,也就是说,单质硅需要通过实验或工业制取,用于半导体的硅主要包括硅多晶、硅单晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等。

2、第二代半导体

第二代半导体的二代目是砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP),其中,砷化镓(GaAs)属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体,1964年开始进入实用阶段,用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优势,不过,砷化镓单晶的价格较为昂贵,故此,被业界称为“半导体贵族”。

磷化铟(InP)则是由金属铟和红磷(Phosphorus red)在石英管中加热反应制得,属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料之一,磷化铟半导体器件广泛应用于微波通信、光纤通信、光电集成电路、外层空间用太阳能电池等领域。

了解了第一代和第二代半导体之后,就可以上第三代半导体的硬菜了。目前,第三代半导体的三代目是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC),基于此,在二级市场之中,还形成了两个分支赛道,就是氮化镓概念和碳化硅概念。

氮化镓是氮和镓的化合物,是一种直接能隙(direct bandgap)的半导体,1990年起,氮化镓被应用于发光二极管(light-emitting diode),也就是平常简称的LED,说到LED,还有一个荣誉小故事,那就是——2014年,日本著名的半导体科学家赤崎勇与他的弟子天野浩(日本电子工程学专家)以及美籍日裔科学家中村修二(美国加州大学圣芭芭拉分校教授),基于氮化镓发明了了高亮度蓝色LED,喜获得当年的诺贝尔物理奖。

目前,氮化镓在日常之中的民品应用便是氮化镓充电器,此前,二级市场炒作氮化镓概念的驱动因素之一便是氮化镓充电器,据悉,多家知名手机品牌已推出氮化镓充电器,有体积小、功率大、耐高温等优势,不过成本相对高,这是因为氮化镓的人工制备成本相对高昂。

此外,碳化硅是1891年美国人爱德华·古德里希·艾奇逊在电熔金刚石实验之中偶然发现,因此还误以为是金刚石的混合体,碳化硅制成的功率器件有高电压、高频率、低损耗等优势,可应用于智能电网、轨道交通、新能源车充电桩电源等领域。

过去几十年,“摩尔定律”一直引领着半导体产业的发展。但随着半导体工艺演进到今天,每前进一代,工艺技术的复杂程度呈指数级上升。就半导体材料而言,随着第一、二代半导体材料工艺已经接近物理极限,其技术研发费用剧增、制造节点的更新难度越来越大,从经济效益来看,“摩尔定律”正在逐渐失效。半导体业界纷纷在新型材料和器件上寻求突破,TSMC、Intel和Samsung等半导体大厂开始寻找新的方法来延续高速成长,“超越摩尔定律”的时代已经到来。以新原理、新材料、新结构、新工艺为特征的“超越摩尔定律”为半导体产业发展带来了新的机遇,而第三代半导体是“超越摩尔定律”的重要发展方向。

“新基建”风口的到来也为第三代半导体产业的发展带来了新的机遇。2020年4月20日,国家发改委正式明确“新基建”的范围,“新基建”的发展既符合未来经济社会发展趋势,又适应中国当前社会经济发展阶段和转型需求,在补短板的同时将成为社会经济发展的新引擎。

在芯片缺货涨价潮愈演愈烈的刺激下,今日A股市场半导体封测、半导体硅片、第三代半导体、半导体设备等板块全线大涨。高盛最新研究报告指出,全球有多达169个行业在一定程度上受到芯片短缺影响,从汽车、钢铁产品、混凝土生产到空调制造,甚至包括肥皂生产。而全球“缺芯”加剧,让涨价势在必行。“买不到”和“买不起”已成为不少下游企业共同面临的困境。

第三代半导体材料是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性和基础性产业,是国家新材料发展计划的重中之重。“十四五”期间,我国将在教育、科研、开发、融资、应用等方面,大力支持发展第三代半导体产业,以期实现产业快速发展。在应用升级和政策驱动的双重带动下,我国第三代半导体产业将迎来发展热潮。

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