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奧曼特小編簡(jiǎn)析三代半導(dǎo)體的區(qū)別。
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第一代半導(dǎo)體材料概述
第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅(Si)、鍺元素(Ge)半導(dǎo)體材料。作為第一代半導(dǎo)體材料的鍺和硅,在國(guó)際信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的各類分立器件和應(yīng)用極為普遍的集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機(jī)、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用,硅芯片在人類社會(huì)的每一個(gè)角落無不閃爍著它的光輝。
第二代半導(dǎo)體材料概述
第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料,如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb);三元化合物半導(dǎo)體,如GaAsAl、GaAsP;還有一些固溶體半導(dǎo)體,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半導(dǎo)體(又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體),如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體;有機(jī)半導(dǎo)體,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。
第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。
第三代半導(dǎo)體材料概述
第三代半導(dǎo)體材料主要以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶(Eg》2.3eV)半導(dǎo)體材料。在應(yīng)用方面,根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況,其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域,每個(gè)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(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比,第三代半導(dǎo)體材料具有寬的禁帶寬度,高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,因而更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料(禁帶寬度大于2.2ev),也稱為高溫半導(dǎo)體材料。
第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域
1、半導(dǎo)體照明
藍(lán)光LED在用襯底材料來劃分技術(shù)路線。GaN基半導(dǎo)體,襯底材料的選擇就只剩下藍(lán)寶石((Al2O3)、SiC、Si、GaN以及AlN。后兩者產(chǎn)業(yè)化為時(shí)尚遠(yuǎn),我們討論下前三者。總的來說,三種材料各有千秋。藍(lán)寶石應(yīng)用最廣,成本較低,不過導(dǎo)電性差、熱導(dǎo)率低;單晶硅襯底尺寸最大、成本最低,但先天巨大的晶格失配與熱失配;碳化硅性能優(yōu)越,但襯底本身的制備技術(shù)拉后腿。
全球LED襯底市場(chǎng)分析:普萊西、晶能光電和三星主要使用硅襯底,但是技術(shù)起步晚,目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,市場(chǎng)占有率低;Cree公司主要采用碳化硅襯底,但是由于其成本問題,加上專利壟斷,幾乎沒有其他企業(yè)涉足。中村修二領(lǐng)導(dǎo)的Soraa公司據(jù)知正在采用氮化鎵(GaN)襯底,這是良好的LED襯底材料,但是比藍(lán)寶石更昂貴,并且生產(chǎn)尺寸也受到限制,也不能夠被大量采用。因此,藍(lán)寶石襯底得以迅速發(fā)展,占據(jù)主流市場(chǎng)。
根據(jù)IHS最新研究情報(bào)顯示,在2015年全球96.3%的LED生產(chǎn)均采用藍(lán)寶石襯底,預(yù)計(jì)到2020年該數(shù)據(jù)將會(huì)上升到96.7%。2015年主要得益于價(jià)格下跌,藍(lán)寶石應(yīng)用市場(chǎng)才得以提振。尤其是4英寸晶圓在2015年占據(jù)了55%的市場(chǎng)份額,其中9.9%是被三星、首爾半導(dǎo)體、晶元光電等大廠分割;6英寸晶圓產(chǎn)能也持續(xù)增長(zhǎng),主要以歐司朗、Lumileds公司、LG化學(xué)和科銳等廠商為首選。
2、功率器件
許多公司開始研發(fā)SiC MOSFET,包括科銳(Cree)旗下Wolfspeed(被Infineon收購(gòu))、羅姆、意法半導(dǎo)體、三菱和通用電氣。與此相反,進(jìn)入GaN市場(chǎng)中的玩家較少,起步較晚。
2015年,SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)(包括二極管和晶體管)規(guī)模約為2億美元,到2021年,其市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將超過5.5億美元,這期間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。毫無懸念,消耗大量二極管的功率因素校正(PFC)電源市場(chǎng),仍將是SiC功率半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用。
目前市場(chǎng)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(qiáng)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(guó)外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國(guó)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(dǎo)體、三安光電、杭州士蘭微等公司。
3、微波器件
微波器件方面,GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá)、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(dòng)通訊基站等民用領(lǐng)域。
市調(diào)公司預(yù)測(cè),2016~2020年GaN射頻器件市場(chǎng)將擴(kuò)大至目前的2倍,市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到4%;2020年末,市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2.5倍。
GaN在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達(dá)、電子對(duì)抗等。GaN將在越來越多的國(guó)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)方面的巨大優(yōu)勢(shì)。
4、激光器和探測(cè)器
在激光器和探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域,GaN激光器已經(jīng)成功用于藍(lán)光DVD,藍(lán)光和綠色的激光將來巨大的市場(chǎng)空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領(lǐng)域,藍(lán)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(dá)到500億美元。2014年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二認(rèn)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(guó)外的日本日亞公司(Nichia)、和德國(guó)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(cè)器。GaN基紫外探測(cè)器可用于導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)生物探測(cè)等領(lǐng)域,例如核輻射探測(cè)器,X射線成像儀等,但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
我國(guó)發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料展望
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代半導(dǎo)體材料,但是第一代與第二代半導(dǎo)體材料仍在廣泛使用。為什么第二代的出現(xiàn)沒有取代第一代呢?第三代半導(dǎo)體是否可以全面取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料呢?
Si和化合物半導(dǎo)體是兩種互補(bǔ)的材料,化合物的某些性能優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了Si晶體的缺點(diǎn),而Si晶體的生產(chǎn)工藝又明顯的有不可取代的優(yōu)勢(shì),且兩者在應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的局限性,因此在半導(dǎo)體的應(yīng)用上常常采用兼容手段將這二者兼容,取各自的優(yōu)點(diǎn),從而生產(chǎn)出符合更高要求的產(chǎn)品,如高可靠、高速度的國(guó)防軍事產(chǎn)品。因此第一、二代是一種長(zhǎng)期共同的狀態(tài)。
但是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,消費(fèi)電子、照明、新能源汽車、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等,且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸,故被市場(chǎng)看好的同時(shí),隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料。
我國(guó)在第三半導(dǎo)體材料上的起步比較晚,且相對(duì)國(guó)外的技術(shù)水平較低。這是一次彎道超車的機(jī)會(huì),但是我國(guó)需要面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)還是很多的。