¿Por qué el semiconductor de tercera generación es tan popular? 4 imágenes para comprender instantáneamente las tecnologías clave de GaN y SiC.

El semiconductor de tercera generación es actualmente el tema más candente en el campo de la alta tecnología, desempeñando un papel indispensable en el desarrollo de 5G, vehículos eléctricos, energía renovable e industria 4.0A pesar de que a menudo escuchamos acerca de estos desarrollos, muchas personas todavía tienen sólo una vaga comprensión de ellos.Proporcionaremos la perspectiva más directa e integral para ayudarle a entender esta tecnología clave que está lista para dar forma al futuro de la industria tecnológica..

¿Qué es un semiconductor de tercera generación y de banda ancha?

Cuando hablamos de semiconductores de tercera generación, primero vamos a presentar brevemente la primera y segunda generación.el semiconductor de primera generación es el silicio (Si), y el semiconductor de segunda generación es el arseniuro de galio (GaAs)." WBG) incluye carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN).

La "brecha de banda" en semiconductores de banda ancha representa "la brecha de energía requerida para que un semiconductor pase de estados aislantes a conductores".

El silicio y el arseniuro de galio, como semiconductores de primera y segunda generación, tienen bajos intervalos de banda, con valores de 1,12 eV y 1,43 eV, respectivamente.las bandas de banda de semiconductores de tercera generación (banda ancha) SiC y GaN son 3Por lo tanto, cuando se exponen a altas temperaturas, presiones o corrientes,Los semiconductores de tercera generación tienen menos probabilidades de pasar de estados aislantes a conductores en comparación con las primeras y segundas generaciones.Exhiben características más estables y mejores capacidades de conversión de energía.

Conceptos erróneos comunes acerca de los semiconductores de tercera generación

Con la llegada de la era 5G y los vehículos eléctricos, la demanda de alta frecuencia, computación de alta velocidad y carga rápida ha aumentado.El silicio y el arseniuro de galio han alcanzado sus límites en términos de temperatura.Además, cuando las temperaturas de funcionamiento exceden los 100 grados, las dos primeras generaciones de productos son más propensas a fallar,lo que los hace inadecuados para ambientes hostilesCon el enfoque global en las emisiones de carbono, los semiconductores de alta eficiencia y bajo consumo de energía de tercera generación se han convertido en los nuevos favoritos de la era.

Los semiconductores de tercera generación pueden mantener un excelente rendimiento y estabilidad incluso a altas frecuencias.y rápida disipación de calorCuando los tamaños de los chips se reducen en gran medida, ayudan a simplificar el diseño de circuitos periféricos, reduciendo así el volumen de módulos y sistemas de refrigeración.

Muchas personas creen erróneamente que los semiconductores de tercera generación se acumulan a partir de los avances tecnológicos de la primera y segunda generaciones, pero esto no es del todo cierto.Como se ve en el diagrama, estas tres generaciones de semiconductores en realidad están desarrollando tecnologías en paralelo.

SiC y GaN tienen sus propias ventajas y diferentes áreas de desarrollo.

Después de entender las diferencias entre las primeras tres generaciones de semiconductores, nos centramos en los materiales de la tercera generación de semiconductores: SiC y GaN.Estos dos materiales tienen áreas de aplicación ligeramente diferentesActualmente, los componentes GaN se utilizan comúnmente en campos con voltajes inferiores a 900V, como cargadores, estaciones base y otros productos de alta frecuencia relacionados con las comunicaciones 5G; SiC,por otro lado, se utiliza en aplicaciones con voltajes superiores a 1200V, como los vehículos eléctricos.

El SiC está compuesto de silicio (Si) y carbono (C), con una fuerte unión y estabilidad en términos de calor, química y mecánica.SiC es adecuado para aplicaciones de alto voltaje y alta corriente, como los vehículos eléctricos, la infraestructura de carga de vehículos eléctricos, los equipos de generación de energía solar y eólica marina.

Además, el propio SiC utiliza la tecnología de "epitaxia homogénea", por lo que tiene una buena calidad y una alta fiabilidad de los componentes.,Como es un dispositivo vertical, tiene una alta densidad de potencia.

En la actualidad, el sistema de alimentación de los vehículos eléctricos opera principalmente entre 200 y 450 V, y los modelos de gama superior avanzarán hacia los 800 V en el futuro, convirtiéndose en el principal mercado de SiC.La fabricación de obleas de SiC es difícil, con altos requisitos para el cristal fuente del cristal largo, que no se obtiene fácilmente.La dificultad de la tecnología de cristal largo significa que la producción a gran escala todavía no es factible en la actualidad., que se profundizará más adelante.

El GaN es un componente lateral que crece en diferentes sustratos, como los sustratos de SiC o Si, utilizando la tecnología de "epitaxia heterogénea".Las películas finas de GaN producidas por este método tienen una calidad relativamente baja.Aunque actualmente se utilizan en áreas de consumo como la carga rápida, existen algunas dudas sobre su uso en vehículos eléctricos o aplicaciones industriales.que es también una dirección que los fabricantes están ansiosos por romper a través.

Las áreas de aplicación de GaN incluyen dispositivos de potencia de alto voltaje (Power) y componentes de alta frecuencia (RF).Mientras que las tecnologías comúnmente utilizadas como Bluetooth, Wi-Fi y posicionamiento GPS son ejemplos de componentes de radiofrecuencia RF.

En términos de tecnología de sustrato, el coste de producción de sustratos de GaN es relativamente alto, por lo que los componentes de GaN se basan principalmente en sustratos de silicio.Los dispositivos de potencia de GaN actualmente disponibles en el mercado se fabrican utilizando dos tipos de obleas.: GaN-on-Si (nitruro de galio en el silicio) y GaN-on-SiC (nitruro de galio en el carburo de silicio).

Las aplicaciones de tecnología de proceso de GaN comúnmente escuchadas, como los dispositivos de radiofrecuencia GaN RF y PowerGaN, se derivan de la tecnología de sustrato GaN-on-Si.debido a las dificultades en la fabricación de sustratos de carburo de silicio (SiC), la tecnología está controlada principalmente por unos pocos fabricantes internacionales, como Cree y II-VI en los Estados Unidos, y ROHM Semiconductor.