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第三代半导体材料究竟将掀起一场怎样的技术革
作者:admin 发布日期:2017-12-29 11:05 关注次数:

 技术创新是推动产业发展的永恒动力。当前,在科技强国的背景下,以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料凭借着其优异的特性得到了世界各国的高度重视。 

    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。

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)——并称为第三代半导体材料的双雄。

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4×1016/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

从国际竞争角度看,美、日、欧等发达国家已将第三代半导体材料列入国家计划,并展开全面战略部署,欲抢占战略制高点。

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。

第三代半导体材料究竟将掀起一场怎样的技术革命?

 

    近年来,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景,成为全球半导体市场争夺的焦点。

 

    如今,以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起。其技术及应用的突破成为全球半导体产业新的战略高地,各国政府纷纷加紧在第三代半导体领域的部署。面对各方力量的蜂拥而至,第三代半导体材料究竟将掀起一场怎样的技术革命?我国在布局第三代半导体领域又将面临哪些突破和瓶颈?

第三代半导体材料优势明显

 

    回顾半导体产业的发展历程,其先后经历了以硅(Si)为代表的第一代半导体材料,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料,在上个世纪,这两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。而如今,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料被统称为第三代半导体材料。

 

    作为一类新型宽禁带半导体材料,第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点:如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力,被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的核芯,是光电子和微电子等产业的新发动机

从应用范围来说,第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点。在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。

 

    作为新一代半导体照明的关键器件,第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体材料,也是最具有发展前景的两种材料。

 

    与第一代半导体材料硅相比,碳化硅有诸多优点:有高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,使其小至LED照明、家用电器、新能源汽车,大至轨道交通、智能电网、军工航天都具备优势,所以碳化硅市场被各产业界颇为看好。

 

    而氮化镓直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异,在光电领域,氮化镓占绝对的主导地位,而在其他功率器件领域,碳化硅适用于1200V以上的高温大电力领域,GaN则更适用900V以下的高频小电力领域。可谓各有优势。

 

有望全面取代传统半导体

 

    从应用领域来看,第一代半导体硅(Si),主要应用在数据运算领域,第二代半导体砷化镓(GaAs),主要应用在通信领域,两者都有一定的局限性,而第三代宽禁带半导体碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),以其高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势,可以被广泛应用在各个领域,无论是消费电子设备、照明、新能源汽车、风力发电机、飞机发动机,还是导弹和卫星,都对这种高性能的半导体有着极大的期待,未来有望全面取代传统半导体材料。

   

   “第三代半导体材料已展现出极其重要的战略性应用价值,有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈,创新开拓时代需求的新技术领域,不仅在信息领域,而且进入到能源领域发挥极为重要的作用。南京大学电子科学与工程学院郑有炓院士曾指出。

 

    如碳化硅(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;应用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;应用在家电领域,可节能50%;应用在风力发电领域,可提高效率20%;应用在太阳能领域,可降低光电转换损失25%以上……

 

   “碳化硅器件在高温、高压、高频、大功率器件以及航天、军工、核能、新能源汽车、LED照明等领域有很强的优势。台州市一能科技有限公司创始人张乐年谈及半导体级碳化硅原料项目时说到。作为科技部863计划第三代半导体材料及应用的基础原料,碳化硅原料的国产化,将加快碳化硅器件的普及,既节约60座以上核电站的电力以及减少10%以上石油消耗,又能够使中国在价值4000亿美元的第三代半导体产业中占据主导地位。

 

    另一种材料氮化镓( GaN),由于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,也被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提供高电子迁移率,这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计,因而表现出低损耗并提供高开关频率,而低损耗加上宽禁带器件的高结温特性,可降低散热量,高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用,最终减小系统尺寸和重量,提升功率密度,有助于设计人员实现紧凑的高能效电源方案。

 

机遇与挑战并存

 

在巨大优势和光明前景的刺激下,目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域,但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢,宽禁带半导体技术亟待突破。

 

   “最大的瓶颈是原材料。中科院半导体研究所研究员、中国电子学会半导体与集成技术分会秘书长王晓亮认为,我国原材料的质量、制备问题亟待破解。此外,湖南大学应用物理系副教授曾健平也表示,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SiCGaN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重要因素是原始创新问题。国家半导体照明工程研发及产业联盟一专家表示,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。

 

    原始创新即从无到有的创新过程,其特点是投入大、周期长。以SiC为例,其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大,虽然经过了数十年的研究发展,到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术,能够生产出较好的产品,但离真正的大规模产业化应用也还有较大的距离。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,是实现产业化的一大桎梏。

 

   “第三代半导体对我们国家未来产业会产生非常大的影响,其应用技术的研究比较关键,若相关配套技术及产品跟不上,第三代半导体的材料及器件的作用和效率可能会发挥不好,所以要全产业链协同发展。中兴通讯副总裁晏文德表示。

 

    是机遇也是挑战。未来,我国第三代半导体产业将面临许许多多的难题。就像北京大学宽禁带半导体研发中心沈波教授所说,当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好,因为过去十年,在半导体照明的驱动下,氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高,但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走,市场和产业刚刚启动,我们还面临巨大挑战,必须共同努力。

 
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