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世界各国第三代半导体材料发展情况

发表时间:2016-11-10

    技能立异是推进工业展开的永久动力。当时,在科技强国的布景下,以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体资料凭仗着其优秀的特性得到了国际各国的高度重视。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  由于第三代半导体资料具有非常明显的功能优势和无穷的工业股动效果,欧美日等发达国家和地区都把展开碳化硅半导体技能列入国家战略,投入巨资支撑展开。这篇文章将对第三代半导体资料的界说、特性以及各国研制状况进行详细分析。
  一、榜首代半导体资料概略
  榜首代半导体资料首要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体资料。作为榜首代半导体资料的锗和硅,在国际信息工业技能中的各类分立器材和使用极为遍及的集成电路、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展开的新能源、硅光伏工业中都得到了极为广泛的使用,硅芯片在人类社会的每一个旮旯无不闪烁着它的光辉。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  二、第二代半导体资料概略
  第二代半导体资料首要是指化合物半导体资料,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。
  第二代半导体资料首要用于制造高速、高频、大功率以及发光电子器材,是制造高功能微波、毫米波器材及发光器材的优秀资料。因信息高速公路和互联网的鼓起,还被广泛使用于卫星通讯、移动通讯、光通讯和GPS导航等范畴。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
   三、第三代半导体资料
  1、界说
  第三代半导体资料首要以碳化硅(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)半导体资料。
  2、使用范畴
  以SiC等为代表的第三代半导体资料,将被广泛使用于光电子器材、电力电子器材等范畴,以其优秀的半导体功能在各个现代工业范畴表现重要改造效果,使用远景和商场潜力无穷。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  跟着SiC出产成本的下降,SiC半导体正在凭仗其优秀的功能逐步替代Si半导体,打破Si基由于资料自身功能所遇到的瓶颈。无疑,它将引发一场相似于蒸汽机相同的工业革命:
  1.SiC资料使用在高铁范畴,可节能20%以上,并减小电力体系体积;
  2.SiC资料使用在新能源汽车范畴,可下降能耗20%;
  3.SiC资料使用在家电范畴,可节能50%;
  4.SiC资料使用在风力发电范畴,可进步功率20%;
  5.SiC资料使用在太阳能范畴,可下降光电变换丢失25%以上;
  6.SiC资料使用在工业电机范畴,可节能30%-50%;
  7.SiC资料使用在超高压直流输送电和智能电网范畴,可使电力丢失下降60%,一起供电功率进步40%以上;
  8.SiC资料使用在大数据范畴,可帮助数据基地能耗大幅下降;
  9.SiC资料使用在通讯范畴,可明显进步信号的传输功率和传输安全及稳定性;
  10.SiC资料可使航空航天范畴,可使设备的损耗减小30%-50%,作业频率进步3倍,电感电容体积减小3倍,散热器分量大幅下降。
  3、资料特性
  与榜首二代半导体资料对比,第三代半导体资料具有更宽的禁带宽度,更高的击穿电场,更高的热导率,更高的电子饱满速率及更高的抗辐射才能,更适合于制造高温、高频、抗辐射及大功率器材,通常又被称为宽禁带半导体资料(禁带宽度大于2.2电子伏特),亦被称为高温半导体资料。从现在第三代半导体资料和器材的研讨来看,较为老练的是SiC和GaN半导体资料,而氧化锌、金刚石、氮化铝等资料的研讨尚属起步阶段。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)——并称为第三代半导体资料的双雄。
  相对于Si,SiC的长处许多:有10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高1倍的饱满漂移速度。由于这些特色,用SiC制造的器材能够用于极点的环境条件下。微涉及高频和短波长器材是现在现已老练的使用商场。42GHz频率的SiCMESFET用在军用相控阵雷达、通讯播送体系中,用SiC作为衬底的高亮度蓝光LED是全五颜六色大面积显示屏的要害器材。
  在碳化硅SiC中掺杂氮或磷能够构成n型半导体,而掺杂铝、硼、镓或铍构成p型半导体。在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮能够使掺杂后的碳化硅具有数量级可与金属对比的导电率。掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下具有超导性,但掺杂Al和B的碳化硅两者的磁场行为有明显差异。掺杂铝的碳化硅和掺杂B的晶体硅相同都是II型半导体,但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,此化合物构造相似纤锌矿,硬度很高。作为时下新兴的半导体工艺技能,供给逾越硅的多种优势。与硅器材对比,GaN在电源变换功率和功率密度上完成了功能的飞跃。
    GaN具有超卓的击穿才能、更高的电子密度及速度,和更高的作业温度。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,广泛使用于功率因数校对(PFC)、软开关DC-DC等电源体系设计,以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通讯电源等终端范畴。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  GaN是极稳定的化合物,又是坚固的高熔点资料,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晶体通常是六方纤锌矿构造。它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。由于其硬度高,又是一种杰出的涂层维护资料。
  GaN的电学特性是影响器材的首要因素。未有意掺杂的GaN在各种状况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。通常状况下所制备的P型样品,都是高抵偿的。
  4、代表性国家
  从国际竞争视点看,美、日、欧等发达国家已将第三代半导体资料列入国家方案,并展开全部战略布置,欲抢占战略制高点。
  如美国,2014年头,美国总统奥巴马宣告树立“下一代功率电子技能国家制造业立异基地”,希望经过加强第三代半导体技能的研制和工业化,使美国占领下一代功率电子工业这个正呈现的规划最大、展开最快的新兴商场,并为美国创造出一大批高收入工作岗位。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  日本也树立了“下一代功率半导体封装技能开发联盟”,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资料、器材以及使用技能开发及工业化的知名公司、大学和研讨基地,共同开发适应SiC和GaN等下一代功率半导体特色的抢先封装技能。
  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公司、大学和公共研讨基地,联合攻关SiC和GaN的要害技能。项目经过研制高性价比且高可靠性的SiC和GaN功率电子技能,使欧洲跻身于国际高能效功率芯片研讨与商用的最前沿。
  2015年5月,中国树立第三代半导体资料及使用联合立异基地,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协作协议,标志着该基地引进国际优势立异资源、汇聚全球立异创业人才取得新进展。
  将来,由半导体SiC资料制造成的功率器材将支撑起当今节能技能的展开趋向,变成节能设备最核心的部件,因而半导体SiC功率器材也被业界称为功率变流设备的“CPU”、绿色经济的“核芯”。
    5、中国第三代半导体资料研制状况
  据了解,中国政府高度重视第三代半导体资料的研讨与开发,从2004年开端对第三代半导体范畴的研讨进行了布置,启动了一系列严重研讨项目,2013年科技部在863方案新资料技能范畴项目搜集指南中清晰将第三代半导体资料及使用列为重要内容。
  业界遍及看好SiC的商场展开远景,根据猜测,至2022年其商场规划将达到40亿美元,年平均复合增长率可达到45%,到时将催生无穷商场使用空间。
【解剖】国际各国第三代半导体资料展开状况
  尽管远景看好,但中国在该范畴的展开的最大瓶颈即是原资料。中国SiC原资料的质量、制备疑问亟待破解。现在中国对SiC晶元的制备尚为空缺,大多数设备靠国外进口。
  国内展开SiC、GaN资料和器材方面的研讨作业对比晚,与国外对比水平较低,阻止国内第三代半导体研讨进展的还有初始立异疑问。国内新资料范畴的科研院所和有关出产公司大都急功近利,难以容忍长时间“只投入,不产出”的现状。因而,以第三代半导体资料为代表的新资料初始立异寸步难行。
  工业链下游的产出要以上游资料为根底,而事实上中国对根底的资料疑问的重视度不行,一旦投入与支撑的力度不行,有关人才便很难被吸引,人才队伍建设的疑问也将逐步变成展开瓶颈。
  不过,在首届第三代半导体资料及使用展开国际研讨会上,科技部副部长曹健林曾表明,“今日的中国,在技能上现已走到了国际前列,更何况中国现已是国际上最大的经济体系,咱们应当与全国际的同行共同来处理面临的疑问,并且跟着中国政府支撑立异、鼓舞立异力度的加强,咱们更信任中国有才能处理这些疑问,这不仅是为中国,也是为全国际科学技能作业做出无穷的推进。”
  此外,与会专家也以为,与在榜首代、第二代半导体资料及集成电路工业上的多年落后、很难追逐国际抢先水平的形势不一样,中国在第三代半导体范畴的研讨作业一向紧跟国际前沿,工程技能水平缓国际抢先水平距离不大,现已展开到了从跟踪模仿到齐头并进、进而可能在有些范畴取得抢先和对比优势,并且有时机完成逾越。
  所以,跟着国家战略层面支撑力度的加大,特别是中国在节能减排和信息技能快速展开方面具有对比好的工业根底,且具有火急的商场需求,因而中国将有望会集优势力气一举完成弯道超车,泰科继电器,占位领跑。 


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