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碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体材料双雄能否带中国实现弯道超车?

2019-02-10 02:21
来源: 与非网

第三代宽禁带半导体材料应用领域

半导体照明

LED衬底类别包括蓝宝石、碳化硅、硅以及氮化镓。蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。SiC衬底有效地解决了衬底材料与GaN的晶格匹配度问题,减少了缺陷和位错,更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。氮化镓具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越特性,是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系。时至今日,氮化镓衬底相对于蓝宝石、碳化硅等衬底的性能优势显而易见,最大难题在于价格过高。

功率器件

2015年,SiC功率半导体市场(包括二极管和晶体管)规模约为2亿美元,到2021年,其市场规模预计将超过5.5亿美元,这期间的复合年均增长率预计将达19%。毫无悬念,消耗大量二极管的功率因素校正(PFC)电源市场,仍将是SiC功率半导体最主要的应用。

目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管(HEMT)和600伏HEMT混合串联开关,国外厂商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中国GaN相关企业有IDM公司中航微电子、苏州能讯,材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。

微波器件

GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来,GaN微波器件有望用于4G~5G移动通讯基站等民用领域。市调公司Yole预测,2016~2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

激光器和探测器

在激光器和探测器应用领域,GaN激光器已经成功用于蓝光DVD,蓝光和绿色的激光将来巨大的市场空间在微型投影、激光3D投影等投影显示领域,蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代照明技术应该是基于GaN激光器的“激光照明”,有望将照明和显示融合发展。目前,只有国外的日本日亚公司(Nichia)、和德国的欧司朗(Osram)等公司能够提供商品化的GaN基激光器。

碳化硅VS氮化镓,宽禁带半导体材料双雄能否带中国实现弯道超车?

由于氮化镓优异的光电特性和耐辐射性能,还可以用作高能射线探测器。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,例如核辐射探测器,X射线成像仪等,但尚未实现产业化。

半导体材料发展趋势

宽禁带半导体材料作为一类新型材料,具有独特的电、光、声等特性,其制备的器件具有优异的性能,在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限,使其在更恶劣的环境下工作;能够提高器件的功率和效率,提高装备性能;能够拓宽发光光谱,实现全彩显示。随着宽禁带技术的进步,材料工艺与器件工艺的逐步成熟,其重要性将逐渐显现,在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料,成为电子信息产业的主宰。

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