加入星計劃,您可以享受以下權(quán)益:

  • 創(chuàng)作內(nèi)容快速變現(xiàn)
  • 行業(yè)影響力擴(kuò)散
  • 作品版權(quán)保護(hù)
  • 300W+ 專業(yè)用戶
  • 1.5W+ 優(yōu)質(zhì)創(chuàng)作者
  • 5000+ 長期合作伙伴
立即加入
  • 正文
    • 半導(dǎo)體材料的演化史
    • 四代“代表”氧化鎵
    • 氧化鎵有何“用武之地”
  • 相關(guān)推薦
  • 電子產(chǎn)業(yè)圖譜
申請入駐 產(chǎn)業(yè)圖譜

蘋果推出M1 Ultra,半導(dǎo)體到了第幾代?

2022/03/11
536
閱讀需 8 分鐘
加入交流群
掃碼加入
獲取工程師必備禮包
參與熱點資訊討論

于3月9日凌晨召開的蘋果春季發(fā)布會帶來了M1 Ultra,它可以定義為M1系列的最后一款芯片,也是當(dāng)前系列性能最強的M1芯片。半導(dǎo)體芯片的發(fā)展離不開材料的支持,半導(dǎo)體材料的變化也經(jīng)歷了好幾代的更新。

我們常說經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑,這不僅可以用于現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)生活,在電子世界,這里“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)”正在經(jīng)歷著一輪革新——第四代半導(dǎo)體來了!而這將對整個電子行業(yè)帶來怎樣的影響呢?

如果把影響人類文明發(fā)展的物質(zhì)材料列一個座次,那么半導(dǎo)體材料一定能夠名列前茅。半導(dǎo)體是指具有特定導(dǎo)電性質(zhì)材料的總稱,在其半個多世紀(jì)的發(fā)展中,家族在不斷壯大。

半導(dǎo)體材料的演化史

第一代半導(dǎo)體材料主要是指鍺(Ge)和硅(Si)。上世紀(jì)50年代,鍺基半導(dǎo)體器件占據(jù)主導(dǎo)地位,隨后,憑借著更加優(yōu)良的性能和儲量上的絕對優(yōu)勢,我們熟悉的硅站到了半導(dǎo)體材料的C位并延續(xù)至今。目前,硅片依然在全球占據(jù)著超過95%的半導(dǎo)體器件市場和超過99%的集成電路市場。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代,為了滿足信息技術(shù)的發(fā)展需求,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳,并在衛(wèi)星通訊、移動通訊、光纖通信、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

隨著21世紀(jì)的現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率電子器件的需求激增,憑借著高擊穿電場、禁帶寬度、高熱導(dǎo)率等方面的特性,以碳化硅SiC)、氮化鎵GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料,成為了對抗高溫、高頻、高輻射的新型解決方案。

接下來第四代半導(dǎo)體材料要登場了,目前主要包括了以氧化鎵(Ga2O3)、氮化鋁(AlN)為代表的超寬禁帶(UWBG)半導(dǎo)體材料,以及以銻化物(GaSb、InSb)為代表的超窄禁帶(UNBG)半導(dǎo)體材料。

值得說明的是,半導(dǎo)體新一代較上一代并不是替換的關(guān)系,各代半導(dǎo)體材料間不同的材料特性往往決定了其不同的應(yīng)用場景,因此用哪種材料還需“對癥下藥”。接下來就讓我們了解下作為第四代半導(dǎo)體材料代表的氧化鎵有什么特別之處。

四代“代表”氧化鎵

氧化鎵是金屬鎵的氧化物,同時也是一種半導(dǎo)體化合物,它擁有約4.5-4.9eV的禁帶寬度,相較GaN的3.4eV和SiC的3.3eV都高出許多。對于半導(dǎo)體材料而言,禁帶寬度直接決定了其抗壓和抗高溫方面的性能,因此超寬禁帶特性也使它能承受更高的崩潰電壓和臨界電場。目前大部分研究和開發(fā)也是針對禁帶寬度在4.7eV至4.9eV之間的氧化鎵進(jìn)行的。

一種材料能否走出實驗室進(jìn)行大面積的應(yīng)用,成本往往是最重要的一項因素。之前的硅替代鍺就是一個很好的例子,而氧化鎵吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的一個重要因素也是由于它的成本較低。氧化鎵成本較低源于氧化鎵晶體的生長可以借助一種從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀單結(jié)晶狀態(tài)的技術(shù),利用這種方法做出氧化鎵晶圓可以大幅度降低生產(chǎn)成本。從同樣基于6英寸襯底的最終器件成本構(gòu)成來看,基于氧化鎵材料的器件成本為195美金,僅為SiC材料的五分之一。

當(dāng)然,氧化鎵也沒法做到面面俱到,比如在散熱方面,氧化鎵熱導(dǎo)率為0.25W/cm.K,相較于SiC等高功率材料較差,這意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量難以發(fā)散,限制了器件的壽命。再者,氧化鎵本征為N型半導(dǎo)體材料,對于氧化物而言,解決P型半導(dǎo)體的摻雜問題相對會比較困難。雖然目前氧化鎵被看作是一個比氮化鎵更有前景的技術(shù)路線,但是在得到大規(guī)模的應(yīng)用之前,仍存在諸如上述一些問題有待克服。

氧化鎵有何“用武之地”

憑借著比第三代半導(dǎo)體材料更寬的禁帶以及深紫外光電特性,關(guān)于氧化鎵的研究和應(yīng)用已經(jīng)在紫外探測、高頻功率器件等領(lǐng)域徐徐展開,諸如電動車、電力系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的渦輪等都是該材料的應(yīng)用場景。在光感與氣體傳感器領(lǐng)域,也可以利用氧化鎵的透明薄膜作為透明面板上的組件。再加上其熱穩(wěn)定性以及人工晶體襯底可以低成本合成,未來氧化鎵在小型化、高效、性價比優(yōu)良的超大功率晶體管的開發(fā)上也擁有巨大的潛力。

(圖片源于:半導(dǎo)體行業(yè)觀察)

在對以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體材料的研究和開發(fā)上,各國也早已開始了行動。

2020年,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI)計劃以未來5年超過8,560萬美元的資金為開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學(xué)提供支持,METI也希望幫助本國公司在今后十年能夠以基于氧化鎵的半導(dǎo)體材料應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車。其中,F(xiàn)LOSFIA公司利用“噴霧干燥法”(MistDry)從液態(tài)直接獲得氧化鎵襯底,這種方法不需要高溫、超潔凈的環(huán)境,在降低制造氧化鎵成本上又實現(xiàn)了突破。

在2018年,美國紐約州立大學(xué)布法羅分校制造了一個由5微米厚的由氧化鎵制成的MOSFET擊穿電壓為1,850V,將被用于制造更小、更高效的電子系統(tǒng)。2020年該團(tuán)隊正在研發(fā)一款薄如紙張的基于氧化鎵的晶體管,且能夠承受8,000V以上的電壓。

中國在氧化鎵的研究方面也有多年的積累,2018年,中國電科46所經(jīng)過多年的技術(shù)探索,成功制備出國內(nèi)第一片高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。此外,歐洲等國也在全力追趕這方面的研究,一場以氧化鎵為主題的競賽正在全球各地進(jìn)行著。

發(fā)展第四代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已成為勢在必行的共識,隨著“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)”的更新迭代,上層更加豐富多彩的應(yīng)用也離我們越來越近。

蘋果

蘋果

蘋果公司(Apple Inc.),是美國的一家跨國科技公司,總部位于美國加州庫比蒂諾硅谷,由史蒂夫·喬布斯和斯蒂夫·蓋瑞·沃茲尼亞克共同創(chuàng)立。公司最初從事電腦設(shè)計與銷售業(yè)務(wù),后發(fā)展為包括設(shè)計和研發(fā)電腦、手機(jī)、穿戴設(shè)備等電子產(chǎn)品,提供計算機(jī)軟件、在線服務(wù)等業(yè)務(wù) 。

蘋果公司(Apple Inc.),是美國的一家跨國科技公司,總部位于美國加州庫比蒂諾硅谷,由史蒂夫·喬布斯和斯蒂夫·蓋瑞·沃茲尼亞克共同創(chuàng)立。公司最初從事電腦設(shè)計與銷售業(yè)務(wù),后發(fā)展為包括設(shè)計和研發(fā)電腦、手機(jī)、穿戴設(shè)備等電子產(chǎn)品,提供計算機(jī)軟件、在線服務(wù)等業(yè)務(wù) 。收起

查看更多

相關(guān)推薦

電子產(chǎn)業(yè)圖譜

安富利助您將今日構(gòu)思轉(zhuǎn)化為明日科技。我們幫助初創(chuàng)企業(yè)設(shè)計和制造,讓這些技術(shù)夢想家準(zhǔn)備好成長為新的大型企業(yè);也為需要全球供貨的合同制造商和OEM制造商提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品與支持。