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第三代半导体材料迎来爆发期

发布时间:2021-06-21
  第三代半导体材料以氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石为代表,是5G时代的主要材料,其中氮化镓和碳化硅的市场和发展空间最大,涵盖光电子、电力电子、微波射频等领域,涉及传感器、LIFI技术、OLED显示、5G、紫外光源、无线充电、智慧城市应用等先进技术及应用。
 
  从化学命名就可以看出,这是由氮和镓两种离子组成的一种半导体材料,在物理特性上,其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料,也就是国内常说的第三代半导体材料的一种,实际上市场关注的并不只是氮化镓,而是第三代半导体材料。
 
  根据媒体的消息,中国正在规划将大力支持发展第三代半导体产业写入“十四五”规划之中,计划在2021到2025年的五年之内,举全国之力,在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面对第三代半导体发展提供广泛支持,以期实现产业独立自主,不再受制于人。
 
  1、什么是第三代半导体材料?
 
  第三代是指半导体材料的迭代变化,从第一代、第二代过渡到第三代。第一代半导体材料主要是指以Si、Ge元素为主的半导体,它们是半导体分立器件、集成电路和太阳能电池的基础材料,但是硅基芯片经过长期发展,已经正在逐渐接近材料的极限,硅基器件性能提高的潜力也越来越小。
 
  第二代半导体材料主要是指如砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料,其中以砷化镓(GaAs)为代表,砷化镓拥有一些比硅更好的电子特性,可以用在高于250GHz的场合,并且砷化镓比同样的硅基器件更适合运用在高功率的场合,可以运用在卫星通讯、雷达系统等地方。
 
  第三代半导体材料以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石等宽禁带物质为代表。事实上,三代半导体材料之间的主要区别就是禁带宽度。现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论,能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带,价带被电子填满且导带上无电子时,晶体不导电。
 
  当晶体受到外界能量激发(如高压),电子被激发到导带,晶体导电,此时晶体被击穿,器件失效,禁带宽度代表了器件的耐高压能力。跟前两代相比,第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍,具有更强的耐高压、高功率能力,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
 
  第三代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表,是5G时代的主要材料,其中氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的市场和发展空间最大。根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计8.54亿美元。未来十年年均两位数增长率,到2029年将超过50亿美元。
 
  展开来看,在军事领域,GaN可用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信通,碳化硅(SiC)主要用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机;在民用商业领域,氮化镓(GaN)用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电,而碳化硅(SiC)主要用于电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等。
 
  实际上,氮化镓(GaN)技术并不是一种新的半导体技术,自1990年起就已经常被用在发光二极管中,但成本昂贵。从制造工艺上来说,氮化镓没有液态,不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶,需要纯靠气体反应合成,而氮气性质非常稳定,镓又是非常稀有的金属(镓是伴生矿,没有形成集中的镓矿,主要从铝土矿中提炼,成本比较高),而且两者反应时间长,速度慢,反应产生的副产物多。生产氮化镓对设备要求又苛刻,技术复杂,产能极低,众多因素叠加影响导致氮化镓单晶材料很贵。
 
  2、产业链的现状和格局
 
  半导体芯片结构分为衬底、外延和器件结构。衬底通常起支撑作用,外延为器件所需的特定薄膜,器件结构即利用光刻刻蚀等工序加工出具有一定电路图形的拓扑结构。第三代半导体目前主流器件形式为碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化镓外延射频器件。
 
  值得关注的一点是,目前主流氮化镓器件公司大多都采用碳化硅衬底,因为基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好,良率更高,更能体现氮化镓材料优势。
 
  例如,以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势,突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷,能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求,碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。根据Yole的统计,碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金,复合增速达44%。按照该复合增速,2027年碳化硅衬底材料市场规模将达到约33亿美金。
 
  高技术门槛导致第三代半导体材料市场被日美欧寡头垄断,全球SiC制造厂商主要是英飞凌、Cree和Rohm,三家企业占据90%的碳化硅市场份额。以导电型产品为例,2018年美国占有全球碳化硅晶片产量的70%以上,仅CREE公司就占据一半以上市场份额,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。
 
  国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低,阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。虽然相对落后,但目前国内还是形成了相对完整的产业链体系,在氮化硅领域,从事衬底片的国内厂商主要有露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳等;从事碳化硅外延生长的厂商主要有瀚天天成和东莞天域等;从事碳化硅功率器件的厂商较多,包括华润微、扬杰科技、泰科天润、绿能芯创、上海詹芯等。在氮化镓领域,尽管碳化硅被更多地作为衬底材料,但国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业,主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等,从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工等,从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰科技、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。
 
  第三代半导体材料竞争正处于发展初期,国内和国际巨头基本处于同一起跑线,这是中国追赶国外的契机。此外,第三代半导体工艺产线对设备要求低,所以第三代半导体工厂的投资额度大约只有第一代硅基半导体的五分之一,难点不在设备、不在逻辑电路设计,而在于工艺,而工艺开发具有偶然性,相比较逻辑芯片难度降低,这对于本土企业来说都是利好消息。
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