第三代半導體核芯氮化鎵,何時紅透半邊天?
半導體研究隨著以空間技術(shù)、計算機為導向的第三次科技革命(1950年)拉開帷幕。半導體產(chǎn)業(yè)作為知識技術(shù)高度密集、資金密集、科研密集型產(chǎn)業(yè),由上游(半導體材料)、中游(光電子、分立器件、傳感器、集成電路)、下游(終端電子產(chǎn)品)組成。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202204/433474.htm第一代半導體材料:硅、鍺元素。金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)已在各類電子器件、集成電路中廣泛應用。
第二代半導體材料:砷化鎵、磷化銦等化合物。禁帶寬度比第一代半導體材料大,但擊穿電壓不夠高,在高溫、高功率下應用效果不理想,砷化鎵源材料有毒,制備風險高,環(huán)境不友好。
第三代半導體材料:氮化鎵、碳化硅、氮化鋁等寬禁帶半導體材料。具有禁帶寬度大、高導熱率、高擊穿電場、高飽和電子速度、高電子密度、耐高頻、耐高壓、耐高溫、高光效、高功率、較強抗輻射能力、化學性質(zhì)穩(wěn)定、體積小、綠色節(jié)能等優(yōu)勢。適合于制造高溫、高頻、抗輻射、大功率電子器件。目前,微波射頻、5G基站、新能源汽車、快充等都是第三代半導體的重要應用領(lǐng)域。
全球?qū)Φ谌雽w材料的研究從2010年開始呈現(xiàn)井噴,我國成為僅次于美國的第二大科研產(chǎn)出國,側(cè)重于關(guān)鍵材料氮化鎵、碳化硅的研究,以及對成型器件的性能優(yōu)化、應用創(chuàng)新。2016年開始,美國、英國、日本等國家紛紛在第三代半導體材料的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化上斥巨資進行大布局,開發(fā)氮化鎵功率元件等項目。全球氮化鎵器件的市場規(guī)模預計將從2016年的165億美元增長至2023年的224.7億美元。
1 第三代半導體材料的應用
電能轉(zhuǎn)換:電能轉(zhuǎn)換需要用到電力電子器件,它的核心是電力電子芯片,實現(xiàn)更為高效地使用能源。軌道交通、新能源汽車、光伏發(fā)電并網(wǎng)、空調(diào)、冰箱、手機充電器、電腦電源等都需要用半導體器件對電能進行控制、管理、變換。碳化硅相較于氮化鎵研究時間更長、技術(shù)更成熟。特斯拉目前已有3種車型采用碳化硅器件,碳化硅晶片使電動汽車續(xù)航力增加10%左右。2018年特斯拉首發(fā)Model 3,采用SiC MOSFET逆變器。
航空領(lǐng)域:第三代半導體電力電子器件可有效降低電源、配電分系統(tǒng)的重量和體積,降低航天器的發(fā)射成本并增加裝載容量,改善航天器電子設(shè)備的設(shè)計容限。
發(fā)光照明:可應用于發(fā)光二極管(LED)、手機屏、電視屏、大型顯示屏、電燈、路燈、車燈等。LED是第三代半導體材料發(fā)展最快的應用領(lǐng)域。
移動通訊:華為、中興通訊每年需要采購上億只用于中基站的射頻功放管器件,目前基本依賴進口。可運用GaN射頻功放管器件,實現(xiàn)核心器件國產(chǎn)化。
2 我國第三代半導體發(fā)展現(xiàn)狀
我國目前可實現(xiàn)2-4英寸SiC襯底量產(chǎn);6英寸SiC單晶樣品已完成開發(fā),但襯底質(zhì)量不高;2-4英寸SiC外延片可實現(xiàn)量產(chǎn),但依賴進口SiC襯底。已實現(xiàn)2英寸GaN襯底、4英寸SiC襯底上GaN高電子遷移率晶體管器件外延片的少量生產(chǎn)。相較于發(fā)達國家,我國在第三代半導體領(lǐng)域研發(fā)、技術(shù)成型起步晚??蒲袡C構(gòu)研發(fā)資源分散、重復,產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化機制不及時、不健全,其中主因——高成本氮化鎵生產(chǎn)令資本望而卻步。
①繼續(xù)加強高校、科研機構(gòu)間的合作。實現(xiàn)要點突破,如碳化硅熱學、力學性能穩(wěn)定,結(jié)晶生長困難,缺乏大型單晶的成熟制備方法。對氮化鎵的物理特性(量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光機制、熱壓和壓電效應等)解釋不成熟,制約器件研究發(fā)展。
②明確具體研究方向,從而建立技術(shù)優(yōu)勢。如在制備關(guān)鍵材料、器件封測技術(shù)等領(lǐng)域深化研究,杜絕“中興巨嬰”,實現(xiàn)綠色核芯技術(shù)的中國智造。
③加大投資力度,保證完整產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計、運行(尋找材料--芯片--封裝--裝備--系統(tǒng)),逐漸實現(xiàn)從科研產(chǎn)出大國到產(chǎn)業(yè)化大國的轉(zhuǎn)變。
近日香港科技大學最新研究發(fā)布氮化鎵基互補邏輯集成電路、氮化鎵高壓多溝道器件技術(shù)。氮化鎵互補型邏輯電路不僅擁有目前芯片制造主流——硅基互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)的優(yōu)點,還呈現(xiàn)出可以在兆赫茲頻率中工作,出色熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢。我國科研產(chǎn)出一直位居世界前列,實現(xiàn)核心技術(shù)量產(chǎn)瓶頸有待突破。相信第三代半導體核芯氮化鎵,在電力電子、新能源、電動汽車、5G 通信技術(shù)、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能工業(yè)、國防軍工安全等領(lǐng)域更前沿的應用指日可待!
參考文獻:
[1]第三代半導體材料氮化鎵(GaN)研究進展[J].謝欣榮,2020,47(18):92-93
[2]投資掀熱潮! 第三代半導體是何方神圣?[J].黃芳芳,2017(21):42-46
[3]文獻計量視角下半導體材料SiC和GaN研究態(tài)勢[J].楊岳衡,唐紅艷,2020,50(03):396-402
評論