Akademiker Zheng Yu Yi: Die dritte Generation von Halbleitern eröffnet neue Entwicklungschancen

In ähnlicher Weise haben die Entwicklungsbedürfnisse der Informationstechnologie und der Elektronik-Informationstechnologie die Entwicklung von Halbleitermaterialien und -technologien angetrieben

Halbleitermaterialien der dritten Generation und ihre Anwendungen

Halbleiter der dritten Generation sind GaN und SiCBreitbandhalbleitermaterialEs ist ein neues breitbandiges Halbleitermaterial, das in den 1990er Jahren nach der ersten Halbleitergeneration, die in den 1950er Jahren durch Ge und Si repräsentiert wurde, und der zweiten Halbleitergeneration, die in den 1970er Jahren durch GaAs und InP repräsentiert wurde, entwickelt wurde, d. h. Halbleitermaterial mit einer Bandbreite, die deutlich größer ist als Si (1,12 eV) und GaAs (1,43 eV)Materialien mit einer Bandbreite von mehr als 2 eV.

Derzeit sind drei Arten von Materialien von großem Interesse（1) Halbleiter der Gruppe IIIeinschließlich GaN (3,4 eV), InN (0,7 eV) und AlN (6,2 eV) und deren feste Legierungsmaterialien; （2）Breitband IV-VerbindungenSiC (2,4 ~ 3,1 eV) und Diamantfilm (5,5 eV) Materialien; （3）Breitbandig verbotene OxidhalbleiterMaterialien wie ZnO, ZnMgO, ZnCdO und Galliumoxid (β-Ga) mit Zn-basierten Halbleitern (2,8 bis 4,0 eV)₂O₃ 4.9 eV）。 Dazu gehören GaN- und SiC-Materialien, die bereits in vielen Industriebereichen erfolgreich eingesetzt werden

inBereich OptoelektronikBasierend auf den ausgezeichneten photoelektrischen Eigenschaften von GaN, InN, AlN und der gesamten Komponente der direkten Energiespalt der FestlösungslegierungEffiziente FestkörperlichtquelleundSolid State UV DetektorFüllt die Lücke in der Kurzwellenlänge Halbleiter-Optoelektronik-Technologie, eröffnet eine neue Ära der weißen Lichtbeleuchtung, über die Beleuchtung hinaus, Vollfarb-LED-Anzeige und Solid State UV-Detektion, nach fast 20 Jahren der Entwicklung, die Technologie reift und die Industrie gedeiht, hat eine enormeWissenschaftliche, wirtschaftliche und soziale VorteileDie Marktgröße im Jahr 2019 betrug 638,8 Milliarden Yuan

inElektronikBasierend auf der Breitbandlücke von GaN, SiC, der hohen Sättigungsgeschwindigkeit von Elektronen, dem hohen Brechfeld, der hohen Wärmeleitfähigkeit und der niedrigen dielektrischen Konstanten, haben wir eine hohe Energieeffizienz, einen geringen Stromverbrauch, eine hohe extreme Leistung und eine widerstandsfähige Umgebung entwickeltNeue Generation von Mikrowellenfrequenzgeräten (GaN) undLeistungselektronik（SiC、GaN）.

GaN-FunkfrequenzgeräteMit höherer Arbeitsspannung, höherer Leistung, höherer Effizienz, höherer Leistungsdichte, höheren Arbeitstemperaturen und höherer Strahlungsbeständigkeit im Vergleich zu GaAs

LeistungselektronikIm Vergleich zu Si hat es eine höhere Arbeitsspannung, eine hohe Leistungsdichte, eine hohe Arbeitsfrequenz, einen niedrigen Durchlaufwiderstand, einen sehr niedrigen Umkehrstrom und eine hohe Temperatur- und Strahlungsbeständigkeit

Neue Chancen im neuen Zeitalter der Infrastruktur

China setzt derzeit die Implementierung von 5G-Kommunikation, IoT, Big Data, Cloud Computing und künstlicher Intelligenz voranDie neue Generation der InformationstechnologieDie Transformation und Entwicklung von vertikalen Branchen wie Fahrzeugvernetzung, Industrievernetzung, intelligente Fertigung, intelligente Energie, intelligente Städte, Gesundheitsversorgung und SchienenverkehrNeue Infrastruktur (neue Infrastruktur), um Chinas wirtschaftliche und soziale Innovationsentwicklung und qualitativ hochwertige Entwicklung zu fördern

Neue Anforderungen im 5G-ZeitalterDie Entwicklung der dritten Generation von Halbleitern nach Anfang des 21. Jahrhunderts, um den Bedürfnissen der weltweiten Energie- und Umweltentwicklung zu entsprechen, wurde durch die Entwicklung der LED-Halbleiterbeleuchtungsindustrie gekennzeichnetNeue Entwicklungschancen.

Halbleiterelektronik der dritten GenerationHohe Energieeffizienz, Niedriger Stromverbrauch, Hohe extreme LeistungundBeständig gegen harte UmgebungenDer unersetzliche Vorteil spielt eine wichtige Unterstützungsrolle für die Entwicklung der 5G-Informationstechnologie und die Implementierung neuer Infrastrukturen von der technologischen Grundlage aus

FunkfrequenzgeräteGrundstück der Radiofrequenztechnologie alsRF-Leistungsverstärkung, Aktiver RF-SchalterundHF-Stromquellemit breiten Anwendungsperspektiven

GaN-FunkfrequenzgeräteMit herkömmlichen SiliziumIm Vergleich zu diffusen Metalloxidhalbleitern (Si-LDMOS) und GaAs-GerätenHöhere Arbeitsspannung, höhere Leistung, höhere Effizienz, hohe Leistungsdichte, höhere Arbeitstemperaturen und höhere StrahlungsbeständigkeitVorteile, die die Implementierung der neuen Infrastruktur unterstützen, von Anwendungen für militärische Elektronik wie High-End-Radar, elektronische Konfrontation, Navigation und Raumkommunikation bis hin zu einer breiten Palette von zivilen Bereichen wie 5G-Basisstationen, Internet der Dinge, Laserradar, Millimeterwellen-Radar für fahrerlose Autos, künstliche Intelligenz und universelle Solid-State-Funkfrequenz-Stromquellen, um einen riesigen Markt für Verbraucherelektronik zu eröffnenNeue Entwicklung im Bereich der RFT neu gestalten.

Zum BeispielGaNFrequenzgeräte als5GFunkverstärker der Basisstation (PAKerneinrichtungen, die die Kommunikationssysteme der Basisstation lösenRiesiger EnergieverbrauchAuslösenGaNDie Nachfrage nach Radiofrequenzgeräten wächst explosiv

5G-Makro-Basisstationen arbeiten in hohen Frequenzbanden, Verluste sind groß, die Übertragungsdistanz ist kurz, 5G-Basisstationen, um das gleiche Abdeckungsziel des 4G-Signals zu erreichen, werden das 3-4-fache der Anzahl von 4G-Basisstationen benötigen (China hat derzeit 4,45 Millionen 4G-Basisstationen), 5G-Basisstationen verwenden die Mass-Array-Antennentechnologie (MIMO) zur Verbesserung der Netzwerkkapazität, 64-Kanäle MIMO-Array-Antennen mit einer einzigen Basisstation PA-Nachfrage von fast 200, so dass der Stromverbrauch von 5G-Basisstationen das 3-4-fache von 4G istDer Gesamtenergieverbrauch von 5G-Basisstationen wird neunmal so hoch wie bei 4G.

Daher sind GaN-Funkfrequenzgeräte mit ihren unersetzlichen Vorteilen zur unvermeidlichen Wahl für 5G-Basisstation-PA geworden und sind auch die Hauptrichtung des 4G-Basisstation-PA-Upgrades. Neue Infrastruktur für GaN-HF-Geräte im Bereich RadarUmfangreiche zivile Anwendungsszenen.

Das GaN-Millimeter-Radar verfügt überKleines Volumen, leichte Qualität und hohe Auflösung sowie hohe Durchdringungsfähigkeit durch Rauch, Nebel und Staub und hohe ÜbertragungsdistanzenEs wird in vielen Bereichen wie Verknüpfung von Fahrzeugen, Internet der Dinge, intelligente Fertigung und intelligente Gesellschaft weit verbreitet werden, z. B. GaN-Millimeterwellenradar im 77 GHz-Frequenzband als Ferndetektor für autonome Fahrzeuge, um die umliegenden Hindernisse genau zu erkennen, um automatische Notbremsen, adaptive Kreuzfahrt, frontale Kollisionswarnung usw. zu erreichenFunktionen im Bereich der aktiven Sicherheit.

Leistungselektronik istEnergieumwandelung, ManagementDie Energieeffizienz von Geräten bestimmt den hohen und niedrigen Energieverbrauch von elektronischen Systemen, Geräten und Produkten, die Größe von Volumen und Qualität, die hohe und niedrige Kosten und Zuverlässigkeit sowie die Lebensdauer von intelligenten mobilen Endgeräten

Moderne elektronische Systeme oder Ausrüstungen haben eine steigende Nachfrage nach Leistungselektronik, die nicht nurHöhere LeistungsdichteundMehr EnergieeffizienzUnd verlangt zu habenHohe extreme EigenschaftenundBeständigkeit gegen harte UmweltDie Konvertierungseffizienz der herkömmlichen Si-Leistungselektronik ist niedriger und erfordert einen hohen Energieverbrauch, und die Leistung der Geräte wie Blockspannung, Schaltfrequenz, Konvertierungseffizienz und Zuverlässigkeit nähert sich allmählich den physikalischen Grenzen des Si-Materials und steht vor schweren Herausforderungen

SiC- und GaN-Leistungselektronik verfügen über ausgezeichnete Eigenschaften über Si-Geräte hinaus, um den neuen Anforderungen im Bereich der neuen Infrastruktur der 5G-Informationstechnologie gerecht zu werden, die enormen Energieengpässe für Informationsinfrastrukturen wie Rechenzentren und drahtlose Basisstationen zu lösen und die Implementierung von mobilen intelligenten IT-Endgeräten zu unterstützenMiniaturisierung, Leichtgewicht und verbesserte LebensdauerUnterstützung für neue Energiefahrzeuge, intelligente Energie, Schienenverkehr, intelligente Fertigung uswIndustrieentwicklung im Bereich der neuen Infrastrukturvorteiledringender Bedarf

SiC- und GaN-LeistungselektronikUnterschiede in den elektrischen Eigenschaften des MaterialsGeeignet für verschiedene Stromanwendungsszenarien: SiC-Leistungsgeräte werden für die Stromregelung mit hoher Spannung und hoher Leistung eingesetzt, wie z. B. Neuenergiefahrzeuge und ihre Ladeinfrastruktur sowie Neuenergiestromündler und intelligente Energiesysteme

Laut Testdaten kann ein Wechselrichter für neue Energiefahrzeuge mit SiC-Leistungsmodulen den Schaltverlust um 75% reduzieren (Chiptemperatur 215 ° C), die Wechselrichtergröße um 43% reduzieren und die Masse um 6 kg reduzieren, so dass das Auto eine kontinuierliche Fahrstrecke erreicht20%-30% erhöht.

China ist das größte der WeltNeue EnergiefahrzeugeMarkt, 1,16 Millionen Verkäufe von neuen Energiefahrzeugen in China im Jahr 2019, was 54% der weltweiten Anteile ausmacht, ist der Markt für Kraftfahrzeuge stark gestiegen und bringt SiC-Leistungselektronik und -modulindustrieGroßer EntwicklungsraumGaN-Leistungsgeräte werden für die Niederspannungs- und Hochfrequenzsteuerung eingesetzt und haben eine äußerst breite Anwendungsperspektive im Bereich der Verbraucherelektronik

Insbesondere aufgrund seiner hohen Arbeitsfrequenz, geringen dynamischen Verlusten, niedrigen Leitwiderstands und hoher Temperaturbeständigkeit, niedriger Wärmeausbeute ist es ideal fürSchaltnetzanwendungenFür alle modernen Endgeräte der VerbraucherelektronikGrüne und effiziente Stromversorgung.

Zum Beispiel als Stromadapter-Schnellladequelle, lösen Sie den Widerspruch, Si-Geräte zu erreichen, um die Leistung zu erhöhen und das Volumen zu erhöhen, so dass die Leistungsverluste und die GrößeReduzierung bis zu 50%Es kann nicht nur die Ladezeit des Handys verkürzen und die Lebensdauer effektiv verbessern, sondern es wird erwartet, dass Handys, Tablets, Spielkonsolen, AR-Brillen, VR-Helme und andere Arten von Geräten erreicht werdenIntegration der Ladung von mobilen EndgerätenUnterstützung der Entwicklung von tragbaren IT-Endprodukten, die zur Entwicklung der aktuellen GaN-Leistungselektronikindustrie werden, wird der weltweite Markt für GaN-Schnellladeprodukte bis 2025 voraussichtlich mehr als 60 Milliarden Yuan erreichen

Im Vergleich zu SiC haben GaN-Leistungsgeräte schnellere Schaltgeschwindigkeiten, niedrigere Durchgangswiderstände, geringere Antriebsverluste, höhere Umwandlungseffizienz, niedrigere Wärmeerzeugung und Si-basierte GaN-Geräte niedrigere Kostenvorteile, so dass die GaN-Leistungselektronik nicht nur in einer großen Anzahl istVerbraucherelektronikAuch in der neuen InfrastrukturMittel- und NiederdruckanwendungsszenarienEs gibt eine sehr breite Anwendungsperspektive

Perspektiven

Im Zeitalter der 5G-Informationstechnologie eröffnet die dritte Generation von Halbleitern neue Entwicklungschancen, die Implementierung der neuen Infrastruktur fördert die Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation in die Periode des goldenen Fensters und zeigt eine gute Dynamik, die voraussichtlich allmählich verwirklicht wirdSelbststeuerbar, sicher und zuverlässigHalbleiter der dritten Generation, Halbleiter der ersten und zweiten GenerationKomplementäre Vorteile und synergische UnterstützungDie innovative Entwicklung der Informationstechnologie der neuen Generation unterstützt die qualitativ hochwertige Entwicklung der Sozialwirtschaft in der neuen Ära Chinas