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半导体:硅和化合物

09/01 14:05
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随着摩尔定律的逼近,化合物半导体的地位正在不断提升。

硅的优势在于材料资源丰富、提纯与晶圆制造技术极其成熟,拥有全球范围内最完善的制造生态链和工艺平台。大规模量产降低了单位成本,使硅成为逻辑芯片存储芯片以及绝大多数低功耗模拟器件的首选。此外,硅在低频和中等功率条件下性能稳定、良率高,并且与CMOS工艺的深度结合使得芯片功能集成度不断提升。然而,硅的缺陷在于电子迁移率、禁带宽度、击穿电场等物理参数受限,难以在高功率、高频率、高温环境下高效工作;同时,它在光电子领域表现不佳,不能直接实现高效的光发射和光探测。

化合物半导体的优势则在于可以通过材料成分的设计获得优异的物理性能。例如,GaAs 的高电子迁移率适合射频毫米波应用;GaNSiC 的宽禁带和高击穿电场使它们在高压、大功率和高温条件下表现优越;InP 在高速光通信和红外探测中不可替代。它们能直接实现高效光电转换,这让其在光电子器件中大放异彩。缺点是材料制备成本高、晶圆尺寸受限、缺陷密度较高,导致制造成本和良率相对落后于硅;另外,产业链规模相对较小,制造和封装的工艺标准化程度不及硅。

从发展趋势来看,硅不会轻易被取代,反而会通过材料工程继续提升性能,比如采用应变硅、硅锗合金、硅光子等技术突破部分性能瓶颈;先进工艺节点会继续推动其在计算与存储领域的统治地位。化合物半导体则会在专业赛道快速扩张:SiC 在新能源汽车高压电源中加速渗透,GaN 在快充、5G雷达中普及,GaAs 和 InP 在高速光通信、卫星链路中稳步发展。同时,III-V 材料与硅的异质集成、硅光子与激光器的融合将成为重要方向,试图兼顾硅的规模化优势与化合物材料的性能优势,推动两类材料进入更广阔的应用场景。


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