第三代半導(dǎo)體即寬禁帶半導(dǎo)體，以碳化硅和氮化鎵為代表，具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，切合節(jié)能減排、智能制造、信息安全等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，是支撐新一代移動(dòng)通信、新能源汽車(chē)、高速軌道列車(chē)、能源互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的重點(diǎn)核心材料和電子元器件，已成為全球半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

第三代半導(dǎo)體材料五高特性

【一】　　

從能帶角度看三個(gè)半導(dǎo)體材料時(shí)代

第三代半導(dǎo)體材料在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領(lǐng)域，以及短波長(zhǎng)光電子領(lǐng)域，有明顯優(yōu)于硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等第一代和第二代半導(dǎo)體材料的性能。第三代半導(dǎo)體材料正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)及國(guó)防安全技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

第三代半導(dǎo)體樹(shù)狀圖

從能帶角度看，同樣可以劃分為三個(gè)半導(dǎo)體材料時(shí)代。

第一代半導(dǎo)體材料以硅和鍺等元素半導(dǎo)體材料為代表。其典型應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測(cè)器中，在未來(lái)一段時(shí)間，硅半導(dǎo)體材料的主導(dǎo)地位仍將存在。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點(diǎn)決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率。且其帶隙寬度較窄（1.12 eV）飽和電子遷移率較低（1450 cm2/V·s），不利于研制高頻和高功率電子器件。

第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵和磷化銦（InP）為代表。砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對(duì)硅器件具有高頻、高速的光電性能，公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛且不可替代。然而，其禁帶寬度范圍僅涵蓋了1.35 eV（InP）～2.45 eV（AlP），只能覆蓋波長(zhǎng)506～918 nm的紅光和更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，而無(wú)法滿(mǎn)足中短波長(zhǎng)光電器件的需要。由于第二代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不夠大，擊穿電場(chǎng)較低，極大的限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外由于GaAs材料的毒性可能引起環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)健康存在潛在的威脅。

第三代半導(dǎo)體材料是指Ⅲ族氮化物（如氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）等）、碳化硅、氧化物半導(dǎo)體（如氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga2O3）、鈣鈦礦（CaTiO3）等）和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。

【二】

氮化鎵（GaN）材料發(fā)展?jié)摿?/span>

氮化鎵是一種寬能隙材料，它能夠提供與碳化硅（SiC）相似的性能優(yōu)勢(shì)，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認(rèn)為，在未來(lái)數(shù)年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價(jià)格。

氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢(shì)，并可與成本極低、技術(shù)成熟度極高的硅基半導(dǎo)體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)車(chē)、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

由于對(duì)高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長(zhǎng)，使得半導(dǎo)體業(yè)重新考慮半導(dǎo)體所用設(shè)計(jì)和材料。隨著多種更快、更小計(jì)算器件的不斷涌現(xiàn)，硅材料已難以維持摩爾定律。由于氮化鎵材料所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如噪聲系數(shù)優(yōu)良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種應(yīng)用提供了獨(dú)特的選擇，如軍事、宇航和國(guó)防、汽車(chē)領(lǐng)域，以及工業(yè)、太陽(yáng)能、發(fā)電和風(fēng)力等高功率領(lǐng)域。

由于氮化鎵光電半導(dǎo)體在軍事、宇航、國(guó)防和消費(fèi)電子的使用，使得光電半導(dǎo)體成為全球氮化鎵半導(dǎo)體器件市場(chǎng)的主要產(chǎn)品類(lèi)型，并占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。其中功率半導(dǎo)體器件將隨著工業(yè)應(yīng)用對(duì)大功率器件需求的增長(zhǎng)成為未來(lái)增長(zhǎng)速度最快的器件。

氮化鎵（GaN）材料優(yōu)勢(shì)

對(duì)于GaN的功率器件發(fā)展而言，市場(chǎng)需求牽引力至關(guān)重要。從（2020年將支配市場(chǎng)的）電源和PFC（功率因數(shù)校正）領(lǐng)域，到UPS（不間斷電源）和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，很多應(yīng)用領(lǐng)域都將從GaN-on-Si功率器件的特性中受益。

市場(chǎng)調(diào)查公司Yole Developpement)認(rèn)為，除了這些應(yīng)用，2020年以后純電動(dòng)汽車(chē)（EV）和混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）也將開(kāi)始采用這些新材料和新器件。市場(chǎng)規(guī)模方面，2020年GaN器件市場(chǎng)整體規(guī)模有可能達(dá)到約6億美元。屆時(shí)，一塊6英寸晶圓可加工出大約58萬(wàn)個(gè)GaN。按照EV和HEV從2018年或2019年開(kāi)始采用GaN的設(shè)想來(lái)看，GaN器件的數(shù)量將從2016年開(kāi)始顯著增加，一直到2020年都將以80％的年均增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)。

再隨著5G技術(shù)的逐漸成熟，帶給射頻前端(RF Front End)晶片市場(chǎng)商機(jī)，未來(lái)射頻功率放大器(RF PA)需求將持續(xù)成長(zhǎng)，其中傳統(tǒng)金屬氧化半導(dǎo)體(Laterally Diffused metal Oxide Semiconductor，LDMOS；LDMOS具備低成本和大功率性能優(yōu)勢(shì))制程逐步被氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)取代，尤其在5G技術(shù)下需要支援更多元件、更高頻率，另砷化鎵(GaAs)則相對(duì)穩(wěn)定成長(zhǎng)。透過(guò)導(dǎo)入新的射頻技術(shù)，RF PA將以新的制程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中GaN的RF PA將成為輸出功率3W以上的主流制程技術(shù)，LDMOS市占率則逐漸降低。

因?yàn)?G技術(shù)涵蓋毫米波頻率和大規(guī)模MIMO(Multi-Input Multi-Output)天線運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)5G無(wú)線整合及架構(gòu)上的突破，未來(lái)如何大規(guī)模采用Massive-MIMO及毫米波(mmWave)回程系統(tǒng)將是發(fā)展關(guān)鍵。由于5G頻率高，因此對(duì)于高功率、高性能、高密度的射頻元件需求增加，其中氮化鎵(GaN)符合其條件，即GaN市場(chǎng)更具有潛在商機(jī)。

5G商業(yè)化推進(jìn)，加速氮化鎵射頻市場(chǎng)發(fā)展

【三】

氮化鎵（GAN)是什么？

GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。它具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

氮化鎵（GAN）是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，在T=300K時(shí)為，是半導(dǎo)體照明中發(fā)光二極管的核心組成部分。氮化鎵是一種人造材料，自然形成氮化鎵的條件極為苛刻，需要2000多度的高溫和近萬(wàn)個(gè)大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮?dú)夂铣蔀榈?，在自然界是不可能?shí)現(xiàn)的。

大家都知道，第一代半導(dǎo)體材料是硅，主要解決數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)的問(wèn)題；第二代半導(dǎo)體是以砷化鎵為代表，它被應(yīng)用到于光纖通訊，主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題；第三代半導(dǎo)體則就是以氮化鎵為代表，它在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號(hào)傳輸方面的效率更高，所以可以被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各大領(lǐng)域。1998年，美國(guó)科學(xué)家研制出了首個(gè)氮化鎵晶體管。

【四】

氮化鎵（GAN)的性能特點(diǎn)

高性能：主要包括高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕等。目前第一代和第二代半導(dǎo)體材料在輸出功率方面已經(jīng)達(dá)到了極限，而GaN半導(dǎo)體由于在熱穩(wěn)定性能方面的優(yōu)勢(shì)，很容易就實(shí)現(xiàn)高工作脈寬和高工作比，將天線單元級(jí)的發(fā)射功率提高10倍。

高可靠性：功率器件的壽命與其溫度密切相關(guān)，溫結(jié)越高，壽命越低。GaN材料具有高溫結(jié)和高熱傳導(dǎo)率等特性，極大地提高了器件在不同溫度下的適應(yīng)性和可靠性。GaN器件可以用在650°C以上的軍用裝備中。

低成本：GaN半導(dǎo)體的應(yīng)用，能夠有效改善發(fā)射天線的設(shè)計(jì)，減少發(fā)射組件的數(shù)目和放大器的級(jí)數(shù)等，有效降低成本。目前GaN已經(jīng)開(kāi)始取代GaAs作為新型雷達(dá)和干擾機(jī)的T/R（收/發(fā)）模塊電子器件材料。美軍下一代的AMDR（固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)）便采用了GaN半導(dǎo)體。氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，使得它成為迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系，并可以成為制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。隨著對(duì)Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍(lán)光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開(kāi)發(fā)藍(lán)光LED的競(jìng)爭(zhēng)行列。

【五】

氮化鎵的應(yīng)用

1、新型電子器件

GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場(chǎng)，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE技術(shù)在GaN材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破，成功地生長(zhǎng)出了GaN多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用GaN材料制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

2、光電器件

GaN材料系列是一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結(jié)GaN藍(lán)色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)超亮度藍(lán)色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問(wèn)世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍(lán)色和綠色 LED已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，從而填補(bǔ)了市場(chǎng)上藍(lán)色LED多年的空白。以發(fā)光

效率為標(biāo)志的LED發(fā)展歷程見(jiàn)圖3。藍(lán)色發(fā)光器件在高密度光盤(pán)的信息存取、全光顯示、激光打印機(jī)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。隨著對(duì)Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍(lán)光、綠光LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開(kāi)發(fā)藍(lán)光LED的競(jìng)爭(zhēng)行列。

1993年，Nichia公司首先研制成發(fā)光亮度超過(guò)lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達(dá)到2.7%，峰值波長(zhǎng)450nm，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長(zhǎng)為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達(dá)7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍(lán)光LED產(chǎn)品。高亮度LED的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從1998年的 3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應(yīng)用主要包括汽車(chē)照明，交通信號(hào)和室外路標(biāo)，平板金色顯示，高密度DVD存儲(chǔ)，藍(lán)綠光對(duì)潛通信等。

在成功開(kāi)發(fā)Ⅲ族氮化物藍(lán)光LED之后，研究的重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向Ⅲ族氮化物藍(lán)光LED器件的開(kāi)發(fā)。藍(lán)光LED在光控測(cè)和信息的高密度光存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前Nichia公司在GaN藍(lán)光LED領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，其GaN藍(lán)光LED室溫下2mW連續(xù)工作的壽命突破10000小時(shí)。HP公司以藍(lán)寶石為襯底，研制成功光脊波導(dǎo)折射率導(dǎo)引GaInN/AlGaN多量子阱藍(lán)光LED。CreeResearch公司首家報(bào)道了SiC上制作的CWRT藍(lán)光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結(jié)構(gòu)。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍(lán)光激光器，該激光器可在室溫下CW應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長(zhǎng)的，并且采用了垂直傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)（P型和n型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報(bào)道的垂直器件結(jié)構(gòu)的CW藍(lán)光激光器。

在探測(cè)器方面，已研制出GaN紫外探測(cè)器，波長(zhǎng)為369nm，其響應(yīng)速度與Si探測(cè)器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測(cè)器將在火焰探測(cè)、導(dǎo)彈預(yù)警等方面有重要應(yīng)用。

【六】

新基建加速氮化鎵的發(fā)展

GaN寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領(lǐng)域發(fā)展方向，材料和工藝都存在許多問(wèn)題有待解決，即使這些問(wèn)題都得到解決，它們的價(jià)格肯定還是比硅基貴。預(yù)計(jì)到2019年，硅基GaN的價(jià)格可能下降到可與硅材料相比擬的水平。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應(yīng)用，與硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一樣，SiC和GaN寬禁帶電力電子器件在將來(lái)也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。SiC電力電子器件將主要用于1200V以上的高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；GaN電力電子器件將主要用于900V以下的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)/服務(wù)器電源應(yīng)用領(lǐng)域。

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，其性質(zhì)決定了將更適合4G乃至未來(lái)5G等技術(shù)的應(yīng)用。從現(xiàn)在的市場(chǎng)狀況來(lái)看，GaAs仍然是手機(jī)終端PA和LNA等的主流，而LDMOS則處于基站RF的霸主地位。但是，伴隨著Si材料和GaAs材料在性能上逐步達(dá)到極限，我們預(yù)計(jì)GaN半導(dǎo)體將會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用在無(wú)線通信領(lǐng)域中。

第三代半導(dǎo)體射頻電子器件在民用和軍用領(lǐng)域都已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。尤其是，由于具備高頻、高功率、大帶寬的性能優(yōu)勢(shì)，氮化鎵射頻電子器件和模塊在5G移動(dòng)通信基站建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用，我國(guó)5G建設(shè)提速，將觸發(fā)對(duì)氮化鎵射頻電子器件需求的快速增長(zhǎng)。

 

江西譽(yù)鴻錦材料科技有限公司，致力于第三代半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，我司擁有世界一流的科研團(tuán)隊(duì)，先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和國(guó)家政策的支持。我司會(huì)用先進(jìn)的技術(shù)，竭力為您帶來(lái)更好的體驗(yàn)。

 

 

 

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