氮化鎵與碳化硅 誰是第三代寬禁帶半導體材料
日期：2021-3-4 8:53:34??????點擊：??????
?來源：電源網(wǎng)
碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。SiC材料方面的企業(yè)以Cree、II-VI、Dow Corning等為代表，其中2013年Cree開發(fā)出6英寸SiC單晶產(chǎn)品，其微管密度低于1個/cm2;多家公司研發(fā)出厚度超過250μm的SiC外延材料樣品，并批量提供中低壓器件用SiC外延材料產(chǎn)品。在SiC器件方面，國際上報道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超過20kV的SiC功率二極管和SiC IGBT芯片樣品。Cree和Rohm公司開發(fā)了SiC MOSFET產(chǎn)品，電壓等級從650V~1700V，單芯片電流超過50A，并開發(fā)出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模塊產(chǎn)品。
氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙*的半導體，GaN是另一種重要的寬禁帶半導體材料。它具有獨特的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和二維電子氣，在此基礎(chǔ)上研制的高電子遷移率晶體管(HEMT)是一種平面型器件，可以實現(xiàn)低導通電阻、高開關(guān)速度的優(yōu)良特性。國際上也有團隊報道了垂直型的GaN電力電子器件。近年來圍繞GaN半導體器件的全球研發(fā)投入以及生產(chǎn)規(guī)模均快速增長，其中650V以下的平面型HEMT器件已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域
根據(jù)第三代半導體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發(fā)階段。
第三代寬禁帶半導體材料應(yīng)用領(lǐng)域
半導體照明
LED襯底類別包括藍寶石、碳化硅、硅以及氮化鎵。藍光LED在用襯底材料來劃分技術(shù)路線。SiC襯底有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問題，減少了缺陷和位錯，更高的電光轉(zhuǎn)換效率從根本上帶來更多的出光和更少的散熱。氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)越特性，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。時至今日，氮化鎵襯底相對于藍寶石、碳化硅等襯底的性能優(yōu)勢顯而易見，最大難題在于價格過高。
功率器件
2015年，SiC功率半導體市場（包括二極管和晶體管）規(guī)模約為2億美元，到2021年，其市場規(guī)模預計將超過5.5億美元，這期間的復合年均增長率預計將達19%。毫無懸念，消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導體最主要的應(yīng)用。
目前市場上主要GaN產(chǎn)品是應(yīng)用于高功率密度DC/DC電源的40-200伏增強性高電子遷移率異質(zhì)節(jié)晶體管(HEMT)和600伏HEMT混合串聯(lián)開關(guān)，國外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國GaN相關(guān)企業(yè)有IDM公司中航微電子、蘇州能訊，材料廠商中稼半導體、三安光電、杭州士蘭微等公司。
微波器件
GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領(lǐng)域。市調(diào)公司Yole預測，2016～2020年GaN射頻器件市場將擴大至目前的2倍，市場復合年增長率（CAGR）將達到4%；2020年末，市場規(guī)模將擴大至目前的2.5倍。GaN在國防領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產(chǎn)品中得到應(yīng)用，充分體現(xiàn)其在提高功率、縮小體積和簡化設(shè)計方面的巨大優(yōu)勢。
激光器和探測器
在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN激光器已經(jīng)成功用于藍光DVD，藍光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領(lǐng)域，藍色激光器和綠光激光器產(chǎn)值約為2億美元，如果技術(shù)瓶頸得到突破，潛在產(chǎn)值將達到500億美元。2014年諾貝爾獎獲得者中村修二認為下一代照明技術(shù)應(yīng)該是基于GaN激光器的“激光照明”，有望將照明和顯示融合發(fā)展。目前，只有國外的日本日亞公司（Nichia）、和德國的歐司朗(Osram)等公司能夠提供商品化的GaN基激光器。
由于氮化鎵優(yōu)異的光電特性和耐輻射性能，還可以用作高能射線探測器。GaN基紫外探測器可用于導彈預警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測、化學生物探測等領(lǐng)域，例如核輻射探測器，X射線成像儀等，但尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
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