深圳第三代半導體研究院

三代半導體材料簡析

发表时间:2018-08-21 10:44

  近年来,世界第三代半导体材料的发展风起云涌。由于第三代半导体材料的优异性能和对新兴产业的巨大推动作用,目前经济发达国家都把发展第三代半导体材料及其相关器件等列为半导体重要新兴技术领域,投入巨资支持发展。我国在加速发展集成电路产业的同时,把发展第三代半导体技术列入国家战略,成为与极大规模集成电路(ULSI)相提并论的新兴技术领域。今天,IC春秋就为大家简要分析一下三代半导体材料。

一、第一代半導體材料

  第一代半導體材料主要是指矽(Si)、鍺(Ge)元素半導體。它們是半導體分立器件、集成電路和太陽能電池的最基礎材料。幾十年來,矽芯片在電子信息工程、計算機、手機、電視、航天航空、新能源以及各類軍事設施中得到極爲廣泛的應用,在人類社會的每一個角落無不閃爍著它的光輝。

二、第二代半導體材料

   第二代半導體材料是指化合物半導體材料,如砷化镓(GaAs)、銻化铟(InSb)、磷化铟(InP),以及三元化合物半導體材料,如鋁砷化镓(GaAsAl)、磷砷化镓(GaAsP)等。還有一些固溶體半導體材料,如鍺矽(Ge-Si)、砷化镓-磷化镓(GaAs-GaP)等;玻璃半導體(又稱非晶態半導體)材料,如非晶矽、玻璃態氧化物半導體等;有機半導體材料,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

  第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。隨著世界互聯網的興起,這些器件還被廣泛應用于衛星通信、移動通信、光通信和GPS導航系統等領域。

三、第三代半導體材料

  第三代半導體材料主要是以碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)爲代表的寬禁帶(禁帶寬度Eg>2.3eV)的半導體材料。

  与第一代和第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、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看,较为成熟的第三代半导体材料是 SiC 和 GaN,而ZnO、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。

  相对于硅,SiC 的优点有很多:有高10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽 3 倍的禁带宽度,高1倍的电子饱和漂移速度。由于这些特点,用 SiC 制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波、高频和短波长器件是目前比较成熟的应用市场。

    42GHz的SiC MESFET(SiC 台面型场效应晶体管)可以用在通信广播系统以及军用相控阵雷达之中,用SiC作为衬底的高亮度蓝光 LED 是全彩色大面积显示屏的关键器件。

    SiC 正凭借其优良的性能,在许多领域可以取代硅,打破硅基材料本身性能造成的许多局限性。SiC 将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域,以其优异的半导体性能在各个现代技术领域发挥其重要的革新作用,应用前景巨大。

  氮化镓(GaN)是极其稳定的化合物,又是坚硬和高熔点材料,熔点为1700℃。GaN 具有高的电离度,在三五族化合物中是最高的(0.5 或0.43)。在大气压下,GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构,因为其硬度大,所以它又是一种良好的涂层保护材料。GaN 具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。

    GaN 的能隙很宽,为 3.4 eV,可以广泛应用于SiC 和 GaN 的关键技术。项目希望通过研发高性价比且高可靠的 SiC 和 GaN 功率电子技术,使欧盟跻身于世界高能效功率芯片研究与商用的前沿。

  我国政府主管部门高度重视第三代半导体材料及相关技术的研究与开发。从 2004 年开始对第三代半导体技术领域的研究进行了部署,启动了一系列重大研究项目。2013 年科技部在"863"计划新材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。2015 年和 2016 年国家科技重大专项 02 专项也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。业界也普遍看好 SiC 和 GaN 的市场前景。据预测,到 2022 年,SiC 和 GaN 功率器件的市场规模将达 40 亿美元以上,年均复合增长率可达45%,届时将催生巨大的应用市场空间。

  但是,当前我国发展第三代半导体及其器件的最大瓶颈是原材料。我国 SiC 和 GaN 材料的制备与质量等问题亟待破解。目前我国对 SiC 材料制备的设备尚为空缺,大多数设备还依赖进口。国内开展 SiC、GaN 材料和器件方面的研究工作起步比较晚,与国外相比水平还较低,缺少原始创新的专利。因此,发展第三代半导体材料和器件的步伐有待加速。

  未来,由 SiC 和 GaN 材料制成的半导体功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋势,成为节能设备最核心的器件,因此 SiC 和 GaN 功率器件被业界誉为绿色经济的"核心"。

  由于第三代半导体材料及其制作的各种器件的优越性、实用性和战略性,许多发达国家将第三代半导体材料列入国家计划,全面部署,竭力抢占战略制高点。如美国,2014 年年初就成立了"下一代功率电子技术国家制造业创新中心",期望通过加强第三代半导体技术的研发产业化,使美国占领下一代功率电子产业这个正在出现的规模最大、发展最快的新兴市场。日本也建立了"下一代功率半导体封装技术开发联盟",由 18家知名半导体厂商、大学和研究中心共同开发第三代半导体功率器件,并重点开发适应于 SiC 和GaN 等下一代功率半导体特点的先进封装技术。

  在中国国内,半导体设备业和半导体材料业通称为半导体支撑业。近年来,在国内集成电路产业持续快速发展的带动下,国内半导体材料业也呈现出高增长的势头。在国家科技重大专项02 专项和各级地方政府科技创新专项的大力支持下,多种基础材料开始替代进口材料,在国内集成电路大生产线上使用。

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