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第三代半导体材料会是中国实现产业化弯道超车的机会吗?
奔跑的蜗牛 发布于 2019/11/25 浏览 34

半导体材料是半导体产业发展的基础,20世纪30年代才被科学界所认可。半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料。1958年,世界上第一块集成电路在美国诞生,由此开启了芯片时代。

随着半导体产业的发展,半导体材料也在逐渐发生变化,迄今为止,半导体材料大致经历了三代变革,下面让我们来仔细分析一下它们的区别:

第一代半导体材料

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广泛的应用。

第二代半导体材料

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。与第一代半导体材料相比,它能够发光,但只是红光波长以上的光。

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。随着世界互联网的兴起,这些器件还被广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航系统等领域。


砷化镓(GaAs)


柔性非晶硅太阳能电池片

第三代半导体材料

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。

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2.2eV),因此也被称为高温半导体材料。

氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄,发光波长几乎涵盖所有可见光,因而其应用领域十分广阔。红绿蓝三基色能调配出任何一种颜色。第三代半导体材料发出的蓝光是调出白光LED的基础。


碳化硅(SiC)

碳化硅的身世

碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时,在实验室偶然发现的一种碳化物,当时误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂,1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法,也就是大家常说的艾奇逊炉,一直沿用至今,以碳质材料为炉芯体的电阻炉,通电加热石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。

将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒,并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中,在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体。通过Lely法能生长出大块的碳化硅单晶。

碳化硅的结构和特性

纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同,而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色,透明度随其纯度不同而异。[3]碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的 α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体,已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块,经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。

碳化硅化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好;碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化;碳化硅至少有70种结晶型态。α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物,在高于2000 °C高温下形成,具有六角晶系结晶构造(似纤维锌矿);因其3.2g/cm3的比重及较高的升华温度(约2700 °C)[1],碳化硅很适合做为轴承或高温炉之原料物件。

碳化硅的劣势

单晶材料缺陷多,至今材料质量还未真正解决;设计和工艺控制技术比较困难;工艺装置特殊要求,技术标准高,例离子注入,外延设备,激光曝光光刻机等;资金投入很大,运行费用和开发费用昂贵,一般很难开展研发工作。

氮化镓(GaN)

氮化镓的身世

氮化镓(GaN)是氮和镓的化合物,是一种直接能隙(direct bandgap)的半导体,自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电元件中,例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管,可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器*的条件下,产生紫光(405nm)激光。

氮化镓的结构和特性

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禁带宽度大(3.4eV),热导率高(1.3W/cm-K),则工作温度高,击穿电压高,抗辐射能力强。其导带底在Γ点,而且与导带的其他能谷之间能量差大,则不易产生谷间散射,从而能得到很高的强场漂移速度(电子漂移速度不易饱和)。

晶格对称性比较低,具有很强的压电性和铁电性(:在异质结界面附近产生很强的压电极化和自发极化,感生出极高密度的界面电荷,强烈调制了异质结的能带结构,加强了对2-DEG的二维空间限制,从而提高了2-DEG的面密度,这对器件工作很有意义。

氮化镓的缺点和问题

一方面,在理论上由于其能带结构的关系,其中载流子的有效质量较大,输运性质较差,则低电场迁移率低,高频性能差。

另一方面,现在用异质外延(以蓝宝石和SiC作为衬底)技术生长出的GaN单晶,还不太令人满意(这有碍于GaN器件的发展),例如位错密度达到了108~1010/cm2(虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似,但仍然有比较大的晶格失配和热失配);未掺杂GaN的室温背景载流子(电子)浓度高达1017cm-3(可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关),并呈现出n型导电;虽然容易实现n型掺杂(掺Si可得到电子浓度1015~1020/cm3、室温迁移率>300 cm2/ V.s 的n型GaN),但p型掺杂水平太低(主要是掺Mg),所得空穴浓度只有1017~1018/cm3,迁移率小于10cm2/V.s,掺杂效率只有0.1%~1%(可能是H的补偿和Mg的自身电离能较高所致)。

总之,从整体来看,GaN的优点弥补了其缺点,特别是通过异质结的作用,其有效输运性能并不亚于GaAs,而制作微波功率器件的效果(微波输出功率密度上)还往往要远优于现有的一切半导体材料。


盘点第三代半导体材料的应用

随着节能减排、新能源并网、智能电网的发展,这些领域对功率半导体器件的性能指标和可靠性的要求日益提高,要求器件有更高的工作电压、更大的电流承载能力、更高的工作频率、更高的效率、更高的工作温度、更强的散热能力和更高的可靠性。

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”。

第三代半导体材料现在和将来能改变生活的方面主要集中以下几个领域:

1、光电领域

随着技术进步,半导体照明的应用领域不断拓宽,市场规模不断增长。它能做成LED(发光二极管)。用于显示如手机屏、电视屏、大型显示屏等,亦可用于照明,如电灯、路灯、汽车前灯等。

近年来,国内LED行业发展非常迅速,占据了大部分的显示市场;同时,很多照明领域都在逐步被LED照明所替代。IHS数据显示,2015年全球LED灯安装数量在整体照明产品在用量中的渗透率仅为6%,预计2022年将接近40%,LED全球照明市场仍具较大增长潜力。

2、通讯领域

近年来随着5G标准愈发明细,通讯基站所使用的第二代半导体材料无法满足更高传输效率、更大输出功能、更强更稳定的散热、更少电阻、更小体积等诸多需求。而近年来宽禁带与超宽禁带的第三代半导体越来越得到重视,是制造通讯系统器件的优良材料。

随着中国5G商用牌照的颁发,各大运营商也将会进行5G基础设施大范围部署。第三代半导体器件,例如GaN器件的数量也将会以大于50%的速度爆发性增长。借着5G发展的机遇,第三代半导体器件的市场将会逐渐扩大,有望发展为市场的中流砥柱。

从5G移动通讯技术的发展和需求来讲,第三代半导体尤其是氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为首的毫米波器件和微波器件都是满足5G更高频段,更高功率等应用的理想选择。由于 5G 毫米波和超宽带功率放大器还处于起步阶段,为了验证和确保第三代半导体材料的器件,例如氮化镓(GaN)功放能够满足 5G 无线传输的要求,无论是器件厂商还是基站系统厂商都需要在调试和最终系统测试阶段,对产品进行大量射频参数测试。

3、电力电子领域

SiC、GaN在功率电子市场的前景广阔。初步估计,2016年GaN电力电子市场规模约在2000万~3000万美元之间。据Yole最新报告数据显示,2021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元,2016~2021年的复合年增长率(CAGR)将达到19%。而Yole同时预测,GaN功率器件在未来五年(2016~2021年)复合年增率将达到86%,市场将在2021年达到3亿美元。

电能变换的应用领域非常广,所有用电的装备、设施,几乎都要用电能变换的半导体器件对电能进行控制、管理和变换。

电能变换的用途量大面广,轨道交通、新能源汽车、光伏和风电的并网,以及消费类电子中的变频空调、冰箱、手机充电器、电脑电源等都需要半导体器件。如果第三代半导体材料能替代现在第二代半导体材料,能使半导体器件的功率更大、效率更高、体积更小。


我国发展第三代半导体材料的展望

现在已经发展到第三代半导体材料,但是第一代与第二代半导体材料仍在广泛使用。为什么第二代的出现没有取代第一代呢?第三代半导体是否可以全面取代传统的半导体材料呢?

“无论是从模块安全还是从中国经济发展形势看,第三代半导体都拥有巨大发展空间和良好市场前景,催生了上万亿元的潜在市场。”深圳市科学技术协会党组书记林祥认为,第三代半导体是全球半导体产业技术创新和产业发展热点,为信息、能源、交通模块等战略性新兴产业发展提供了重要支撑。近年来,随着材料、器件、工艺和应用方面一系列技术创新和突破,第三代半导体走到了从研发到产业的拐点上。

第三代宽禁带半导体材料,可以被广泛应用在各个领域,消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等,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。

我国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,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,以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。但这是一次实现产业化弯道超车的机会,我国需要面对的困难和挑战还是很多的。


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