《電子技術(shù)應(yīng)用》
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第三代半導(dǎo)體SiC技術(shù)的崛起

2016-04-08

  第一代半導(dǎo)體材料Si點(diǎn)燃了信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“星星之火”,而Si材料芯片也成就了“美國(guó)硅谷”高科技產(chǎn)業(yè)群,促使英特爾等世界半導(dǎo)體巨頭的誕生,95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都是由Si材料制作。

  目前全球40%能量作為電能被消耗,而電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導(dǎo)體功率器件。曾經(jīng)的“中流砥柱”Si功率器件已日趨其發(fā)展的材料極限,難以滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)于高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化的新需求。以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借其優(yōu)異屬性,將成為突破口,正在迅速崛起。

  SiC作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,不但擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好,還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn),可以用來(lái)制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件,應(yīng)用于Si器件難以勝任的場(chǎng)合。

  以SiC等為代表的第三代半導(dǎo)體材料,將被廣泛應(yīng)用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域,以其優(yōu)異的半導(dǎo)體性能在各個(gè)現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域都將發(fā)揮重要革新作用,應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力巨大。

  LED半導(dǎo)體照明是以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)突破口!SiC有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問(wèn)題,減少了缺陷和位錯(cuò),更高的電光轉(zhuǎn)換效率從根本上帶來(lái)更多的出光和更少的散熱?;诖耍?03 lm/W大功率LED實(shí)驗(yàn)室光效記錄誕生,高密度級(jí)LED技術(shù)可實(shí)現(xiàn)尺寸更小、性能更高、設(shè)計(jì)更具靈活性的LED照明系統(tǒng),開(kāi)創(chuàng)性的SC5技術(shù)平臺(tái)和超大功率XHP LED器件可實(shí)現(xiàn)LED照明系統(tǒng)最高40%成本降低。

  隨著SiC生產(chǎn)成本的降低,SiC半導(dǎo)體正在憑借其優(yōu)良的性能逐步取代Si半導(dǎo)體,打破Si基由于材料本身性能的所遇到瓶頸。無(wú)疑,它將引發(fā)一場(chǎng)類似于蒸汽機(jī)一樣的產(chǎn)業(yè)革命:

  1. SiC材料應(yīng)用在高鐵領(lǐng)域,可節(jié)能20%以上,并減小電力系統(tǒng)體積;

  2. SiC材料應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域,可降低能耗20%;

  3. SiC材料應(yīng)用在家電領(lǐng)域,可節(jié)能50%;

  4. SiC材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,可提高效率20%;

  5. SiC材料應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域,可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上;

  6. SiC材料應(yīng)用在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域,可節(jié)能30%-50%;

  7. SiC材料應(yīng)用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域,可使電力損失降低60%,同時(shí)供電效率提高40%以上;

  8. SiC材料應(yīng)用在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域,可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低(當(dāng)前全球300萬(wàn)臺(tái)數(shù)據(jù)中心每小時(shí)耗電量約為3000萬(wàn)千瓦);

  9. SiC材料應(yīng)用在通信領(lǐng)域,可顯著提高信號(hào)的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性;

  10. SiC材料可使航空航天領(lǐng)域,可使設(shè)備的損耗減小30%-50%,工作頻率高3倍,電感電容體積縮小3倍,散熱器重量大幅降低。

  2014年伊始,美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬親自主導(dǎo)成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。這一舉措的背后,是美國(guó)對(duì)以SiC半導(dǎo)體為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)力支持。據(jù)了解,這個(gè)產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)獲得美國(guó)聯(lián)邦和地方政府總計(jì)1.4億美元的合力支持。而早在2013年日本政府就將SiC納入“首相戰(zhàn)略”,認(rèn)為未來(lái)50%的節(jié)能要通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn),創(chuàng)造清潔能源的新時(shí)代。

  正如美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在該產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立大會(huì)上所提到,以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)將可使筆記本電腦適配器的體積減少80%,也可以將一個(gè)變電站的體積縮小至一個(gè)手提箱的大小規(guī)格?;蛟S,這正是SiC半導(dǎo)體的魅力之所在。

  未來(lái),由半導(dǎo)體SiC材料制作成的功率器件將支撐起當(dāng)今節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨向,成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件,因此半導(dǎo)體SiC功率器件也被業(yè)界譽(yù)為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟(jì)的“核芯”。


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