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导读: 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。

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。

半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、bet36体育在线网站子器件的重要材料。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、抗辐照等特殊环境。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,由其制作的器件工作温度可达到600 ℃以上、抗辐照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、器件和应用产业链。

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%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国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,是一种直接能隙*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(3.39 eV)、高击穿电压(3×106 V/cm)、高电子迁移率(室温1 000 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bet36体育在线网站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bet36体育在线网站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bet36体育在线网站属性的半导体材料,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bet36体育在线网站应用产品。目前GaN bet36体育在线网站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明显的竞争优势,其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。

GaN 功率器件的制作工艺与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

半导体照明

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、bet36体育在线网站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,这期间的复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bet36体育在线网站、杭州士兰微等公司。

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