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在现实世界中,没有人可以和“半导体”撇清关系。虽然这个概念听上去可能显得有些冰冷,但是你每天用的电脑,手机以及电视等等,都会用到半导体元件。半导体的重要性自不必说,今天我们来说一下半导体产业中一个很关键的组成部分,那就是半导体材料。

半导体材料是作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要材料。其发展经过了三个主要阶段:以硅为代表的第一代半导体材料、以砷化镓为代表的第二代半导体材料、以碳化硅为代表的第三代半导体材料。第三代半导体材料在众多方面具有广阔的应用前景,随着技术的进步,材料工艺与器件工艺的逐步成熟在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料,成为电子信息产业的主宰。

今天我们主要说的就是第三代宽禁带半导体材料。

第三代半导体材料—宽禁带半导体材料

当前,电子器件的使用条件越来越恶劣,要适应高频、大功率、耐高温、抗辐等特殊环境。为了满足未来电子器件需求,必须采用新的材料,以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来,新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料,该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点,这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前,由其作的器件工作温度可达到600 ℃以上、抗辐1×106 rad;小栅宽GaN HEMT 器件分别在4 GHz下,功率密度达到40 W/mm;在8 GHz,功率密度达到30 W/mm;在18 GHz,功率密度达到9.1 W/mm;在40 GHz,功率密度达到10.5 W/mm;在80.5 GHz,功率密度达到2.1 W/mm,等。因此,宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。

进入21世纪以来,随着摩尔定律的失效大限日益临近,寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。在多位选手轮番登场后,有两位脱颖而出,它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。

碳化硅材料

碳化硅(SiC)俗称金刚砂,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,已经形成了全球的材料、器件和应用产业。

碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体材料双雄能否带中国实现弯道超车?

SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景,因此一直受业界高度重视,基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。目前,国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree公司、Bandgap公司、Dow Dcorning公司、II-VI公司、Instrinsic 公司;日本的Nippon公司、Sixon公司;芬兰的Okmetic公司;德国的SiCrystal公司,等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅备厂商中以美国Cree公司最强,其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平,专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。美国Cree公司1993年开始有6H碳化硅抛光片商品出售,过去的十几年里不断有新品种加入,晶型由6H扩展到4H;电阻率由低阻到半绝缘;尺寸由2寸到6寸,150 mm(6英寸)抛光片已投入市场。

氮化镓材料

氮化镓

氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种直能隙的半导体,在大气压力下,GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构,它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的1/2;其化学性质稳定,常温下不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解;在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性,而在N2 下最为稳定。GaN材料具有良好的电学特性,宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106 V/cm)、高电子迁移率(室温1000 cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013 cm-2)等,因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的最优选材料,相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件,GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外,氮化镓器件可以在1~110GHz范围的高频波段应用,这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。近年来,以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。

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作为一种具有独特光电属性的半导体材料,GaN的应用可以分为两个部分:凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料;凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有显的竞争优势,其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件造领域最为感兴趣和关注的。

GaN功率器件的作工艺与GaAs工艺相似度高,甚至很多设备都是同时支持两种材料的工艺,因此,很多GaAs器件厂商逐渐增加GaN器件业务。目前,整个GaN功率半导体产业处于起步阶段,各国政策都在大力推进该产业的发展。国际半导体大厂也纷纷将目光投向GaN功率半导体领域,关于GaN器件厂商的收购、合作不断发生,650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。

碳化硅与氮化镓的优缺点:

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第三代宽禁带半导体材料应用领域

半导体

LED衬底类别包括蓝宝石、碳化硅、硅以及氮化镓。蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。SiC衬底有效地解决了衬底材料与GaN的晶格匹配度问题,减少了缺陷和位错,更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。氮化镓具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越特性,是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系。时至今日,氮化镓衬底相对于蓝宝石、碳化硅等衬底的性能优势显而易见,最大难题在于价格过高。

功率器件

2015年,SiC功率半导体市场(包括二极管和晶体管)规模约为2亿美元,到2021年,其市场规模预计将超过5.5亿美元,这期间的合年均增长率预计将达19%。毫无悬念,消耗大量二极管的功率因素校正(PFC)电源市场,仍将是SiC功率半导体最主要的应用。

目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管(HEMT)和600伏HEMT混合串联开关,国外厂商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中国GaN相关企业有IDM公司中航微电子、苏州能讯,材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。

微波器件

GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来,GaN微波器件有望用于4G~5G移动通讯基站等民用领域。市调公司Yole预测,2016~2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍,市场合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

激光器和探测器

在激光器和探测器应用领域,GaN激光器已经成功用于蓝光DVD,蓝光和绿色的激光将来巨大的市场空间在微型投影、激光3D投影等投影显示领域,蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代技术应该是基于GaN激光器的“激光”,有望将和显示融合发展。目前,只有国外的日本日亚公司(Nichia)、和德国的欧司朗(Osram)等公司能够提供商品化的GaN基激光器。

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由于氮化镓优异的光电特性和耐辐射性能,还可以用作高能射线探测器。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,例如核辐射探测器,X射线成像仪等,但尚未实现产业化。

半导体材料发展趋势

宽禁带半导体材料作为一类新型材料,具有独特的电、光、声等特性,其备的器件具有优异的性能,在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限,使其在更恶劣的环境下工作;能够提高器件的功率和效率,提高装备性能;能够拓宽发光光谱,实现全彩显示。随着宽禁带技术的进步,材料工艺与器件工艺的逐步成熟,其重要性将逐渐显现,在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料,成为电子信息产业的主宰。

我国弯道超车的机会来了?

虽然我国宽禁带功率半导体创新发展的时机已经逐步成熟,处于重要窗口期。然而目前行业面临的困难仍然很多,一个产业的发展与两个方面有关:一个是技术层面,另一个重要问题就是产业的生态环境。

目前国内产业的创新并没有打通,整体创新环境较差。从事宽禁带半导体研发的研究机构、企业单体规模小,资金投入有限,研发创新速度慢,成果转化困难。

然而在宽禁半导体材料方面却有比较乐观的一面,中镓半导体目前已建成国内首家专业的GaN衬底材料生产线,造出厚度达1100微米的自支撑GaN衬底,并能够稳定生产。2018年2月初,中镓半导体氮化镓衬底量产技术获得重大突破,实现国内首创4英寸GaN自支撑衬底的试量产。

天域半导体是我国首家专业从事第三代半导体碳化硅外延片研发、生产和销售的高新技术企业。据悉,早在2010年,该公司就与中国科学院半导体所合作成立了“碳化硅技术研究院”。目前,天域半导体可提供6英寸SiC晶圆,以及各种单极、双极型SiC功率器件。

风华高科是一家专业从事新型元器件、电子材料、电子专用设备等电子信息基础产品的高科技上市公司。

第三代宽禁带半导体材料,可以被广泛应用在各个领域,且具备众多的优良性能,可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈,故被市场看好的同时,随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。目前,美国、日本、欧洲在第三代半导体SiC、GaN、AlN等技术上拥有绝对的话语权。相比美、日,我国在第三半导体材料上的起步较晚,水平较低,但由于第三代半导体还有很大的发展空间,各国都处于发力阶段,因此被视作一次弯道超车的机会。

总结

我国展开SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平比较低。但是随着国家战略层面支持力度的加大,且具有迫切的市场需求,因此我国将有望集中优势力量一举实现技术突破!

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。或许是概括这一行业的最好判语了。

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