第三代半導體材料

與第一代半導體材料矽(Si),和第二代半導體材料砷化鎵(GaAs)相比,第三代半導體材料(也稱為寬能隙半導體材料)的碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)具有更好的物理和化學特性,同時具有開關速度快、尺寸小、效率高、散熱迅速…等特性。


讓我們看一下,第三代化合物半導體材料衍生出來的新應用:

全自動駕駛、AR擴增實境、機器人

與矽元件相比,氮化鎵元件以更高的速度發射雷射信號,藉由激光雷射/雷射雷達(LiDAR)系統,創造360度三維全景,進一步推昇自動駕駛、擴增實境,甚至機器人的發展。

 

醫療技術突破

由於第三代的半導體材料可以推展無線充電,因此除了大家已知的資訊產品外,部分醫療器械亦可藉由無線充電,大幅使用領域。例如檢查者吞入膠囊式X光機,可以進行結腸鏡檢查,由於可以提供10倍,甚至是100倍的超級解析度醫療影像,可以使得MRI在更早期,準確檢查出癌症與病症。其次包括心臟泵浦、心臟節律器等等植入型的醫療產品,也可以因為不必再外接電源,大幅降低感染可能,增進病人早期使用,與生活品質。

5G使人類生活改觀

5G等高頻應用碳化矽與氮化鎵,耐高電壓、耐高溫、具高頻,可縮小晶片面積、簡化電路、降低冷卻需求,應用於射頻、半導體照明、雷射器等領域。預期未來在 5G 商用帶動下,將可使人類生活大幅改觀。

 

 

第三代半導體材料的代表碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN),高功率、耐高溫、高崩潰電壓、高電流密度、高頻特性表現之優勢,使晶片面積可大幅減少,簡化周邊電路設計,達成減少模組、系統周邊元件及冷卻系統體積目標。

現行氮化鎵功率元件,以矽基氮化鎵及碳化矽基氮化鎵兩種晶圓進行製造,其中矽基氮化鎵在面積與整體成本考量上,具有比碳化矽元件更划算的可能,更適用於中低壓/高頻領域。不同半導體元件的工作頻率和最大功率的比較圖如下:

Semiconductor Microwave Power Devices

目前行動通訊系統的基地台用功率放大器(PA)主要是基於矽的橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)技術,不過LDMOS技術僅適用於低頻段,因為LDMOS功率放大器的頻寬會隨著頻率增加而大幅減少,運用於3.5GHz頻段的LDMOS制程已接近極限。由於第五代行動通訊系統(5G)傳送訊號有部份將採用較高頻段(三個主要頻段是分別是 3.5GHz、26GHz 以及 28GHz)來實現高速傳輸,以及超低延遲能力,LDMOS將逐漸難以符合性能要求。

矽基氮化鎵元件相對於碳化矽基氮化鎵元件,因基板散熱不佳而造成自我發熱的問題會造成氮化鎵電晶體效能的降低,不適合應用在高溫、高頻的操作環境。碳化矽因為與氮化鎵晶格匹配度高,再加上碳化矽材料具有高導熱係數(約矽的三倍),這解決了氮化鎵材料先天熱導率不高的問題,因此碳化矽基氮化鎵在5G基地台應用上具備優勢將可望成為市場主流。

 

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