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世界各 国第三代半导体材料发展情况

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世界各 国第三代半导体材料发展情况

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通知公告
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发布时间:
2016/12/23
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【摘要】:
由于第 三代半导体材料具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用,欧美日 等发达国家和地区都把发展碳化硅半导体技术列入国家战略,投入巨资支持发展
  由于第 三代半导体材料具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用,欧美日 等发达国家和地区都把发展碳化硅半导体技术列入国家战略,投入巨资支持发展。本文将 对第三代半导体材料的定义、特性以 及各国研发情况进行详细剖析。
  一、第一代 半导体材料概况
  第一代 半导体材料主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料。作为第 一代半导体材料的锗和硅,在国际 信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军 事工程和迅速发展的新能源、硅光伏 产业中都得到了极为广泛的应用,硅芯片 在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。
  二、第二代 半导体材料概况
  第二代 半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如GaAsAl、GaAsP;还有一 些固溶体半导体,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
  第二代 半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率 以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波 器件及发光器件的优良材料。因信息 高速公路和互联网的兴起,还被广 泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。
  三、第三代半导体材料
  1、定义
  第三代 半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(Eg》2.3eV)半导体材料。
  2、应用领域
  以SiC等为代 表的第三代半导体材料,将被广 泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域,以其优 异的半导体性能在各个现代工业领域发挥重要革新作用,应用前 景和市场潜力巨大。
  随着SiC生产成本的降低,SiC半导体 正在凭借其优良的性能逐步取代Si半导体,打破Si基由于 材料本身性能所遇到的瓶颈。无疑,它将引 发一场类似于蒸汽机一样的产业革命:
  1.SiC材料应用在高铁领域,可节能20%以上,并减小电力系统体积;
  2.SiC材料应 用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;
  3.SiC材料应用在家电领域,可节能50%;
  4.SiC材料应 用在风力发电领域,可提高效率20%;
  5.SiC材料应 用在太阳能领域,可降低光电转换损失25%以上;
  6.SiC材料应 用在工业电机领域,可节能30%-50%;
  7.SiC材料应 用在超高压直流输送电和智能电网领域,可使电力损失降低60%,同时供电效率提高40%以上;
  8.SiC材料应 用在大数据领域,可帮助 数据中心能耗大幅降低;
  9.SiC材料应用在通信领域,可显著 提高信号的传输效率和传输安全及稳定性;
  10.SiC材料可 使航空航天领域,可使设备的损耗减小30%-50%,工作频率提高3倍,电感电容体积缩小3倍,散热器重量大幅降低。
  3、材料特性
  与第一 二代半导体材料相比,第三代 半导体材料具有更宽的禁带宽度,更高的击穿电场,更高的热导率,更高的 电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又 被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2电子伏特),亦被称 为高温半导体材料。从目前 第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,而氧化锌、金刚石、氮化铝 等材料的研究尚属起步阶段。
  相对于Si,SiC的优点很多:有10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点,用SiC制作的 器件可以用于极端的环境条件下。微波及 高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。42GHz频率的SiCMESFET用在军用相控阵雷达、通信广播系统中,用SiC作为衬 底的高亮度蓝光LED是全彩 色大面积显示屏的关键器件。
  在碳化硅SiC中掺杂 氮或磷可以形成n型半导体,而掺杂铝、硼、镓或铍形成p型半导体。在碳化 硅中大量掺杂硼、铝或氮 可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下拥有超导性,但掺杂Al和B的碳化 硅两者的磁场行为有明显区别。掺杂铝 的碳化硅和掺杂B的晶体硅一样都是II型半导体,但掺杂 硼的碳化硅则是I型半导体。
  氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,此化合 物结构类似纤锌矿,硬度很高。作为时 下新兴的半导体工艺技术,提供超 越硅的多种优势。与硅器件相比,GaN在电源 转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。
  GaN具备出色的击穿能力、更高的 电子密度及速度,和更高的工作温度。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,广泛应 用于功率因数校正(PFC)、软开关DC-DC等电源系统设计,以及电源适配器、光伏逆 变器或太阳能逆变器、服务器 及通信电源等终端领域。
  GaN是极稳定的化合物,又是坚 硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一 般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高,又是一 种良好的涂层保护材料。
  GaN的电学 特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的 样品的电子浓度约为4&TImes;1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品,都是高补偿的。
  4、代表性国家
  如美国,2014年初,美国总 统奥巴马宣布成立“下一代 功率电子技术国家制造业创新中心”,期望通 过加强第三代半导体技术的研发和产业化,使美国 占领下一代功率电子产业这个正出现的规模最大、发展最快的新兴市场,并为美 国创造出一大批高收入就业岗位。
  日本也建立了“下一代 功率半导体封装技术开发联盟”,由大阪大学牵头,协同罗姆、三菱电机、松下电器等18家从事SiC和GaN材料、器件以 及应用技术开发及产业化的知名企业、大学和研究中心,共同开发适应SiC和GaN等下一 代功率半导体特点的先进封装技术。
  欧洲则 启动了产学研项目“LASTPOWER”,由意法 半导体公司牵头,协同来自意大利、德国等 六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心,联合攻关SiC和GaN的关键技术。项目通 过研发高性价比且高可靠性的SiC和GaN功率电子技术,使欧洲 跻身于世界高能效功率芯片研究与商用的最前沿。
  2015年5月,中国建 立第三代半导体材料及应用联合创新基地,抢占第 三代半导体战略新高地,还与荷 兰代尔夫特理工大学签订战略合作协议,标志着 该基地引进国际优势创新资源、汇聚全 球创新创业人才取得新进展。
  未来,由半导体SiC材料制 作成的功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋向,成为节 能设备最核心的部件,因此半导体SiC功率器 件也被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。
  5、我国第 三代半导体材料研发情况
  据了解,我国政 府高度重视第三代半导体材料的研究与开发,从2004年开始 对第三代半导体领域的研究进行了部署,启动了 一系列重大研究项目,2013年科技部在863计划新 材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及应用列为重要内容。
  业界普遍看好SiC的市场发展前景,根据预测,至2022年其市场规模将达到40亿美元,年平均 复合增长率可达到45%,届时将 催生巨大市场应用空间。
  虽然前景看好,但我国 在该领域的发展的最大瓶颈就是原材料。我国SiC原材料的质量、制备问题亟待破解。目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺,大多数 设备靠国外进口。
  国内开展SiC、GaN材料和 器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低,阻碍国 内第三代半导体研究进展的还有原始创新问题。国内新 材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利,难以容忍长期“只投入,不产出”的现状。因此,以第三 代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。
  产业链 下游的产出要以上游材料为基础,而事实 上我国对基础的材料问题的关注度不够,一旦投 入与支持的力度不够,相关人 才便很难被吸引,人才队 伍建设的问题也将逐渐成为发展瓶颈。
  不过,在首届 第三代半导体材料及应用发展国际研讨会上,科技部 副部长曹健林曾表示,“今天的中国,在技术 上已经走到了世界前列,更何况 中国已经是世界上最大的经济体系,我们应 该与全世界的同行共同来解决面临的问题,而且随 着中国政府支持创新、鼓励创新力度的加强,我们更 相信中国有能力解决这些问题,这不仅是为中国,也是为 全世界科学技术工作做出巨大的推动。”
  此外,与会专家也认为,与在第一代、第二代 半导体材料及集成电路产业上的多年落后、很难追 赶国际先进水平的形势不同,我国在 第三代半导体领域的研究工作一直紧跟世界前沿,工程技 术水平和国际先进水平差距不大,已经发 展到了从跟踪模仿到并驾齐驱、进而可 能在部分领域获得领先和比较优势,并且有机会实现超越。
  所以,随着国 家战略层面支持力度的加大,特别是 我国在节能减排和信息技术快速发展方面具备比较好的产业基础,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弯道超车,占位领跑。
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