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      碳化硅——正在崛起的第三代半導體材料

      文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2022/11/9     瀏覽次數:    

       碳化硅是一種無機物,化學式為 SiC,是用硅石、碳、木屑、工業鹽作基本合成原料,在一種特殊的電阻爐中加熱反應合成的。

      01

      碳化硅產業鏈


       碳化硅產業鏈涉及多個復雜技術環節,包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環節。受制于材料端的制備難度大,良率低,產能小,目前產業鏈重要的環節集中于襯底、外延部分,碳化硅材料的可靠性對終器件的性能有著舉足輕重的意義。


      碳化硅襯底


       襯底制造是碳化硅產業鏈技術壁壘高、價值量大的環節,是新近發展的寬禁帶半導體的核心材料。碳化硅的襯底可以按照電阻率分為導電型襯底和半絕緣型襯底,在導電型襯底上生長 SiC 襯底制作的功率器件可以應用在新能源汽車、電網、光伏逆變器、軌道交通等高壓工作場景。在半絕緣型襯底上生長 GaN 外延制作的微波射頻器件主要應用在射頻開關、功率放大器、濾波器等通訊場景,可以滿足 5G 通訊對高頻性能和高功率處理性能的要求。


      碳化硅外延

       碳化硅外延片,是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜(外延層)的碳化硅片。外延工藝是整個產業中的一種非常關鍵的工藝,由于現在所有的器件基本上都是在外延上實現,所以外延的質量對器件的性能影響是非常大的,但是外延的質量它又受到晶體和襯底加工的影響,處在一個產業的中間環節,對產業的發展起到非常關鍵的作用。


      碳化硅器件

       功率器件是電力電子行業的重要基礎元器件之一,廣泛應用于電力設備的電能轉化和電路控制等領域。作為用電裝備和系統中的核心,功率器件的作用是實現對電能的處理、轉換和控制,管理著全球超過百分之五十 的電能資源,廣泛用于智能電網、新能源汽車、軌道交通、能源開發、工業電機、數據、家用電器、移動電子設備等國家經濟與國民生活的方方面面,是工業體系中不可或缺的核心半導體產品。

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      碳化硅在新能源汽車領域的應用

       碳化硅主要應用領域有電動汽車、充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等。Yole 數據顯示,到 2025 年,全球電力電子領域碳化硅市場規模將超過 30 億美元,較 2020 年的 7 億美元 CAGR 超過 百分之三十七。具體到汽車應用領域,碳化硅應用于新能源車,可以降低損耗、減小模塊體積重量、提升續航能力。新能源汽車技術的發展,對功率器件提出了高功率、高功率密度的要求,受益于新能源汽車的放量,SiC 器件的市場份額在新能源汽車領域將會迎來爆發增長。


      03

      第三代半導體材料,蘊藏巨大潛力

       碳化硅屬于寬禁帶半導體材料,又稱為第三代半導體材料。第一代半導體材料主要是指硅(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料,應用極為普遍,包括集成電路、電子信息網絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、硅光伏產業中都得到了為廣泛的應用。

      第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料,如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb),主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件(LED),是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

      Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合達到其性能;為了提升在高壓/高功率下器件的性能,第三代半導體材料 SiC(寬禁帶)應運而生。

      第三代半導體主要是 SiC 和 GaN,與一二代半導體材料相比,具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率等性能優勢,所以又叫寬禁帶半導體材料,特別適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。

      04

      正在崛起的第三代半導體材料

       以 SiC 等為代表的第三代半導體材料,將被廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域,以其優異的半導體性能在各個現代工業領域發揮重要作用,應用前景和市場潛力巨大。第三代半導體材料迎來爆發,碳化硅氮化鎵站上了強風口,是目前商業前景明朗的半導體材料,堪稱半導體產業內新一代“黃金賽道”。碳化硅量產后將打破國外壟斷,成為國產芯片新突破點。



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