【中美科技戰懶人包】中國催谷新科技領域 第三代半導體是什麼?

經濟脈搏 19:47 2020/09/14

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【中美科技戰懶人包】中國力谷新科技領域 第三代半導體是什麼?

中美科技戰白熱化之際,彭博社報道,中方已制訂全方位戰略,在十四五規劃(2021-2025年)期內發展第三代半導體產業,這項任務的優先程度,「如同當年製造原子彈一樣」。第三代半導體與第一、二代有何分別?三代半導體的沿革與發展歷程又如何?這裡作扼要闡述。

簡單來說,三代半導體的不同,是在於使用物料的不同。

  • 第一代是以矽(Si)、鍺(Ge)為主要原料。
  • 第二代是以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等化合物為主要原料。
  • 第代是以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、硒化鋅(ZnSe)等寬帶半導體原料為主。

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相較第一代和二代半導體材料,第三代具有更高效能、更高功率等優勢,應用範疇更廣,例如適用於5G通訊、軍用雷達和電動車等產品。而半導體從第一代發展至第三代,經歷了超過半個世紀。

【第一代半導體】

起源時間:二十世紀五十年代

代表材料:矽(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料

歷史意義:第一代半導體材料引發了集成電路(IC)為核心的微電子領域迅速發展。

由於矽材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低,Si 在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制。但第一代半導體具有技術成熟度較高且具有成本優勢,仍廣泛應用在電子信息領域及新能源、矽光伏產業中。

【第二代半導體】

起源時間:20世紀九十年代以來,隨着移動通信的飛速發展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網的興起,以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角。

代表材料:第二代半導體材料是化合物半導體;如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb);GaAsAl、GaAsP;還有一些固溶體半導體,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半導體(又稱非晶態半導體),如非晶矽、玻璃態氧化物半導體;有機半導體,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

歷史意義:第二代半導體材料主要用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件,是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

因信息高速公路和互聯網的興起,還被廣泛應用於衛星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。如相比於第一代半導體,砷化鎵(GaAs)能夠應用在光電子領域,尤其在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。

從21世紀開始,智能手機、新能源汽車、機械人等新興的電子科技發展迅速,同時全球能源和環境危機突出,能源利用趨向低功耗和精細管理,傳統的第一、二代半導體材料由於自身的性能限制已經無法滿足科技的需求,這就呼喚需要出現新的材料來進行替代。

【第三代半導體】

起源時間:美國早在1993年就已經研製出第一支氮化鎵的材料和器件,而中國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所在1995年也起步該方面的研究,並於2000年做出HEMT結構材料。

代表材料:第三代半導體材料主要以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶(Eg》2.3eV)半導體材料。

發展現狀:在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應用需求的明確牽引下,目前,應用領域的頭部企業已開始使用第三代半導體技術,也進一步提振了行業信心,以為第三代半導體技術路線的投資。

主要功能:與第一代和第二代半導體材料相比,第三代半導體具有更高功率,預期可以被廣泛應用在各個領域,諸如5G設備、消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛星等,且具備眾多的優良性能可突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸。

有報道指,目前沒有任何國家在新興的第三代技術佔據主導地位,中國押注,若加快研發步調、且取得成果的話,可望提升本國企業的競爭力。

責任編輯:鄧國強

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