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趣科技 | 第三代半导体材料:初出茅庐却要把前辈全面取代

半导体行业资讯
2016-12-01
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第一代半导体材料是元素半导体的天下,而第二、三代半导体材料便成化合物的天下,这其中经历了什么故事?而我国憋足大招准备在第三半导体材料方面弯道超车是否现实?

本期《趣科技》就来讲讲半导体材料的故事,从第一、二代走过,第三代半导体材料将讲述怎样的未来。

第一代半导体材料

20世纪50年代,锗(Ge)站在光鲜的舞台上,应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但锗半导体器件在耐高温与抗辐射方面却存在大大的短板,所以在60年代便把主导地位让给了硅。含量丰富、绝缘性好、提纯结晶简单,硅是至今应用最多的一种半导体材料主要应用于数据运算等领域。

第二代半导体材料

随着科技需求的日益增加,硅传输速度慢、功能单一的不足便暴露了出来,于是化合物半导体材料应运而生。20世纪90年代,搭上移动通信、光纤通信的顺风车,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料逐渐登上舞台,其中以砷化镓技术最为成熟。适用于制作高速、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,主要应用于通信领域,比如卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等。

第三代半导体材料

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然而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、大功率等环境下依然坚挺,第一、二代半导体材料便无能为力,于是第三代半导体材料——宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev)成为被关注的重点,主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAS)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN),较为成熟的是碳化硅和氮化镓被称为第三代半导体材料的双雄,而氧化锌、金刚石、氮化铝的研究尚属起步阶段。

第三代半导体材料的崛起还有另外一个契机,半导体材料在生产中的主要污染物有GaAs、Ga3+、In3+等,而随着环保绿色概念的推广,人们试图找寻一种既能满足产品需求,又能不污染环境的新型半导体材料,于是目光投向了有机半导体(在半导体材料中渗入有机材料如C和N),GaN、SiC成为新星。

如今,以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起,抢占第三代半导体材料技术的高地也愈发激烈。第三代半导体材料为何如此耀眼,又将掀起一场怎样的技术革命呢?

材料特性

第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强的等优点。第三代半导体材料还具有发光效率高、频率高等特点,从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用,且在跃迁时放出光子的能量高,因此会有较高的光发射效率,光子发射的频率也较高。

下图为第一、二、三代主要半导体材料的基本性能对比。

SiC是一种天然超晶格,又是一种典型的同志多型体。由于Si与C双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构,因此SiC有着超过200种(目前已知)同质多型族,最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。

4H-SiC与6H-SiC的带隙是Si的3倍、是GaAs的两倍;击穿电场强度高于Si一个数量级;饱和电子漂移速度是Si的2.5倍。

GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点(约为1700℃)材料,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构,原子体积大约为GaAs的一半。GaN受青睐的主要原因是它是宽禁带与硅或者其他三五价器件相比,氮化镓速度更快,击穿电压也更高。与硅器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。

AlN具有宽禁带(6.2eV),高热导率(3.3W/cm•K),且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好,所以AlN是制作先进高功率发光器件(LED,LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。

金刚石是已知材料中硬度最高的,禁带宽度大(5.5eV),集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身,是目前最有发展前途的半导体材料。

应用领域

第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命,无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品,都对第三代半导体材料有着巨大需求。主要应用在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器以及其他领域。

SiC

4H-SiC特别适用于微电子领域,用于制备高频、高温、大功率器件;6H-SiC特别适用于光电子领域,实现全彩显示。随着SiC生产成本的降低,SiC半导体正逐步取代Si,为Si遇到的瓶颈所担忧的日子也将结束。

1. SiC材料应用在高铁领域,可节能20%以上,并减小电力系统体积;

2. SiC材料应用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;

3. SiC材料应用在家电领域,可节能50%;

4. SiC材料应用在风力发电领域,可提高效率20%;

5. SiC材料应用在太阳能领域,可降低光电转换损失25%以上;

6. SiC材料应用在工业电机领域,可节能30%-50%;

7. SiC材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域,可使电力损失降低60%,同时供电效率提高40%以上;

8. SiC材料应用在大数据领域,可帮助数据中心能耗大幅降低;

9. SiC材料应用在通信领域,可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性;

10. SiC材料可使航空航天领域,可使设备的损耗减小30%-50%,工作频率提高3倍,电感电容体积缩小3倍,散热器重量大幅降低。

GaN

以GaN等为代表的第三代半导体材料,被广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关 DC-DC等电源系统设计、电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域,在高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势。

竞争格局

SiC

SiC基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面,可实现碳化硅单晶抛光片的公司主要为美国的Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic,日本的Nippon、Sixon,芬兰的Okmetic,德国的SiCrystal。

Cree与SiCrystal公司占据超过85%的市场份额。美国Cree被认为是此领域的老大,其碳化硅单晶材料的技术水平代表着国际先进水平,专家预测在未来的几年里Cree还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。

GaN

国外在氮化镓体单晶材料研究方面起步较早,美国、日本和欧洲在氮化镓体单晶材料研究方面都取得了一定的成果,其中以美国、日本的研究水平最高。部分公司已经实现了氮化镓体单晶衬底的商品化,技术趋于成熟,下一步的发展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料。

美国一直处于领先地位,先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生产出氮化镓单晶衬底。

日本住友电工(SEI)和日立电线(HitachiCable)已经开始批量生产氮化镓衬底,日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)等正开展了相关研究。

欧洲氮化镓体单晶的研究主要有波兰的Top-GaN与法国的Lumilog。

AlN

AlN单晶材料发,美国、日本的发展水平最高。美国的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制备AlN基片技术,并实现产业化的唯一单位。日本的在AlN方面的研究单位主要包括东京农工大学、三重大学、NGK公司、名城大学,已经有研究成果但还未形成成熟的产品。俄罗斯的约菲所、瑞典的林雪平大学在此AlN方面也有一定的研究水平,俄罗斯NitrideCrystal公司也已经研制出直径达到15mm的PVTAlN单晶样品。

ZnO

在ZnO材料上日、美、韩等发达国家已投入巨资进行研发,日本已生长出直径达2英寸的高质量ZnO单晶。我国在此方面也有所建树有,采用CVT法已生长出了直径32mm和直径45mm、4mm厚的ZnO单晶。

第三代半导体材料的大好前程

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?

Si和化合物半导体是两种互补的材料,化合物的某些性能优点弥补了Si晶体的缺点,而Si晶体的生产工艺又明显的有不可取代的优势,且两者在应用领域都有一定的局限性,因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容,取各自的优点,从而生产出符合更高要求的产品,如高可靠、高速度的国防军事产品。因此第一、二代是一种长期共同的状态。

但是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。

我国在第三半导体材料上的起步比较晚,且相对国外的技术水平较低。这是一次弯道超车的机会,但是我国需要面对的困难和挑战还是很多的。

本文来自与非网原创系列《趣科技》,更多相关内容请参照“阅读原文”。

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