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第三代半导体材料是化合物半导体的新机遇

2019-06-17 10:16
Ai芯天下
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第一代半导体取代了笨重的电子管,带来了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个 IT 产业的飞跃,广泛应用于信息处理和自动控制等领域。尽管硅拥有很多优越的电子特性,但这些特性已经快被用到极限,科学家一直在寻找能替代硅的半导体材料,以制造未来的电子设备,随后化合物半导体横空出世。

近年来,随着功率半导体器件、工业半导体、汽车电力电子等领域的空前发展,第三代半导体材料越发凸显其重要性与优越性。目前发达国家都将第三代半导体材料及相关器件等的发展列为半导体重要新兴技术领域。

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第三代半导体材料主要应用领域

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”。

此外,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。

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。

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。

不同化合物半导体应用领域

①GaAs 占大头,主要用于通讯领域,全球市场容量接近百亿美元,主要受益通信射频芯片尤其是 PA 升级驱动;

②GaN 大功率、高频性能更出色,主要应用于军事领域,目前市场容量不到 10 亿美元,随着成本下降有望迎来广泛应用;

③SiC 主要作为高功率半导体材料应用于汽车以及工业电力电子,在大功率转换应用中具有巨大的优势。

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化合物半导体材料优势显著

随着半导体器件应用领域的不断扩大,特别是特殊场合要求半导体能够在高温、强辐射、大功率等环境下性能依然保持稳定,第一代和第二代半导体材料便无能为力,于是第三代半导体材料。

第三代半导体主要包括氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)。

与第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,从其材料优越性来看,颇具发展潜力,相信随着研究的不断深入,其应用前景将十分广阔。

SOI 的一个特殊子集是蓝宝石上硅工艺,在该行业中通常称为 Ultra CMOS。目前,Ultra CMOS 是在标准 6 英寸工艺设备上生产的,8 英寸生产线亦已试制成功。示范成品率可与其它 CMOS 工艺相媲美。

GaAs 生产方式和传统的硅晶圆生产方式存在较大差异,采用磊晶技术制造,磊晶圆直径只有 4-6 英寸,而传统硅晶圆直径为 12 英寸,对技术和操作精度有较大提升;此外,磊晶圆生产需专门设备,这就使砷化镓技术成本高于传统硅基技术。磊晶目前有两种,一种是化学的 MOCVD,一种是物理的 MBE。

GaN 则是在 GaAs 基础上的再升级,性能更优越,适用于微电子领域和光电子领域。在微电子领域主要为无线通讯、光通讯、无线局域 网、汽车电子产品、军事电子产品等方面;光电子领域为射频 IC,具体体现为 PA、LNA 等通信元件。

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