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我国第三代半导体材料发展面临着哪些瓶颈?

2016-10-28 10:39
吃瓜天狼
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  近年来,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景,成为全球半导体市场争夺的焦点。

  如今,以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起。其技术及应用的突破成为全球半导体产业新的战略高地,各国政府纷纷加紧在第三代半导体领域的部署。面对各方力量的蜂拥而至,第三代半导体材料究竟将掀起一场怎样的技术革命?我国在布局第三代半导体领域又将面临哪些突破和瓶颈?

  第三代半导体材料优势明显

  回顾半导体产业的发展历程,其先后经历了以硅(Si)为代表的第一代半导体材料,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料,在上个世纪,这两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。而如今,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料被统称为第三代半导体材料。

  作为一类新型宽禁带半导体材料,第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点:如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力,被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”,是光电子和微电子等产业的“新发动机”。

  从应用范围来说,第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点。在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。

  作为新一代半导体照明的关键器件,第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体材料,也是最具有发展前景的两种材料。

  与第一代半导体材料硅相比,碳化硅有诸多优点:有高10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点,使其小至LED照明、家用电器、新能源汽车,大至轨道交通、智能电网、军工航天都具备优势,所以碳化硅市场被各产业界颇为看好。

  而氮化镓直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异,在光电领域,氮化镓占绝对的主导地位,而在其他功率器件领域,碳化硅适用于1200V以上的高温大电力领域,GaN则更适用900V以下的高频小电力领域。可谓各有优势。

  有望全面取代传统半导体

  从应用领域来看,第一代半导体硅(Si),主要应用在数据运算领域,第二代半导体砷化镓(GaAs),主要应用在通信领域,两者都有一定的局限性,而第三代宽禁带半导体碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),以其高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势,可以被广泛应用在各个领域,无论是消费电子设备、照明、新能源汽车、风力发电机、飞机发动机,还是导弹和卫星,都对这种高性能的半导体有着极大的期待,未来有望全面取代传统半导体材料。

  “第三代半导体材料已展现出极其重要的战略性应用价值,有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈,创新开拓时代需求的新技术领域,不仅在信息领域,而且进入到能源领域发挥极为重要的作用。”南京大学电子科学与工程学院郑有炓院士曾指出。

  如碳化硅(SiC)材料应用在高铁领域,可节能20%以上,并减小电力系统体积;应用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;应用在家电领域,可节能50%;应用在风力发电领域,可提高效率20%;应用在太阳能领域,可降低光电转换损失25%以上……

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