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碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体材料双雄能否带中国实现弯道超车?

2019-02-10 02:21
来源: 与非网

在现实世界中,没有人可以和“半导体”撇清关系。虽然这个概念听上去可能显得有些冰冷,但是你每天用的电脑,手机以及电视等等,都会用到半导体元件。半导体的重要性自不必说,今天我们来说一下半导体产业中一个很关键的组成部分,那就是半导体材料。

半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要材料。其发展经过了三个主要阶段:以硅为代表的第一代半导体材料、以砷化镓为代表的第二代半导体材料、以碳化硅为代表的第三代半导体材料。第三代半导体材料在众多方面具有广阔的应用前景,随着技术的进步,材料工艺与器件工艺的逐步成熟在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料,成为电子信息产业的主宰。

今天我们主要说的就是第三代宽禁带半导体材料。

第三代半导体材料—宽禁带半导体材料

当前,电子器件的使用条件越来越恶劣,要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求,必须采用新的材料,以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来,新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料,该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点,这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前,由其制作的器件工作温度可达到600 ℃以上、抗辐照1×106 rad;小栅宽GaN HEMT 器件分别在4 GHz下,功率密度达到40 W/mm;在8 GHz,功率密度达到30 W/mm;在18 GHz,功率密度达到9.1 W/mm;在40 GHz,功率密度达到10.5 W/mm;在80.5 GHz,功率密度达到2.1 W/mm,等。因此,宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。

进入21世纪以来,随着摩尔定律的失效大限日益临近,寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。在多位选手轮番登场后,有两位脱颖而出,它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。

碳化硅材料

碳化硅(SiC)俗称金刚砂,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。

碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体材料双雄能否带中国实现弯道超车?


SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景,因此一直受业界高度重视,基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。目前,国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree公司、Bandgap公司、Dow Dcorning公司、II-VI公司、Instrinsic 公司;日本的Nippon公司、Sixon公司;芬兰的Okmetic公司;德国的SiCrystal公司,等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强,其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平,专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。美国Cree公司1993年开始有6H碳化硅抛光片商品出售,过去的十几年里不断有新品种加入,晶型由6H扩展到4H;电阻率由低阻到半绝缘;尺寸由2寸到6寸,150 mm(6英寸)抛光片已投入市场。

氮化镓材料

氮化镓

氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种直接能隙的半导体,在大气压力下,GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构,它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的1/2;其化学性质稳定,常温下不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解;在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性,而在N2 下最为稳定。GaN材料具有良好的电学特性,宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106 V/cm)、高电子迁移率(室温1000 cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013 cm-2)等,因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的最优选材料,相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件,GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外,氮化镓器件可以在1~110GHz范围的高频波段应用,这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。近年来,以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。

碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体材料双雄能否带中国实现弯道超车?

作为一种具有独特光电属性的半导体材料,GaN的应用可以分为两个部分:凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料;凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势,其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。

GaN功率器件的制作工艺与GaAs工艺相似度高,甚至很多设备都是同时支持两种材料的工艺,因此,很多GaAs器件厂商逐渐增加GaN器件业务。目前,整个GaN功率半导体产业处于起步阶段,各国政策都在大力推进该产业的发展。国际半导体大厂也纷纷将目光投向GaN功率半导体领域,关于GaN器件厂商的收购、合作不断发生,650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。

碳化硅与氮化镓的优缺点:

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