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第三代半导体材料 双雄并立之下抱团共进
 
 

第一代半导体材料以硅、锗为主,第二代半导体材料以砷化镓、磷化铟为主,从上世界五六十年代以来,两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。如今,以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料以更大的优势力压第一、二代半导体材料成为佼佼者,统称第三代半导体材料...[详细]

 
 
 
定义

宽禁带半导体材料(Eg大于或等于2.3eV)被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

此外,第三代半导体材料在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用。这类宽禁带的半导体材料由于其电子在能带之间的跃迁效率高,并且在跃迁时放出光子的能量高,因此会有较高的光发射频率,光子发射的频率也较高。从目前研究来看,较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导体材料,其中碳化硅技术最为成熟,而氧化锌、金刚石和氮化铝等材料的研究尚属起步阶段,随着研究深入,其应用前景将十分广阔。

 
 
 
 
 
 
 
氮化镓

在晶体管应用中,氮化镓晶体管可以比之前任何晶体管快地切换更高电压和更大电流,由此带动一些新的应用;氮化镓场效应晶体管可以分立晶体管和单片半桥的形式来供应,其性能比目前最好的商用硅MOSFET好10倍。氮化镓被誉为半导体产业的未来并非空穴来风。外太空环境中,氮化镓技术可被应用到卫星并缩小电子设备的尺寸,大幅改善其性能;无线电力传输系统中,氮化镓技术能以无线方式提供能量,为手机和平板电脑充电,未来遍布墙壁的电插座或许会被淘汰;医疗领域,氮化镓可以深入植入系统、成像及人造器官等多个细分系统,改善医疗技术,降低医疗费用...[详细]

 
碳化硅

碳化硅的商业化应用在21世纪才全面铺开,但商业化生产的碳化硅早在1987年就存在了。与低一级的Si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,用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下,微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场,而在军用相控阵雷达、通信广播系统中,用SiC做为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。碳化硅的市场被产业界颇为看好,根据预测,到2022年,其市场规模将达到40亿美元,年平均复合增长率可达到45%...[详细]

 
 
 
部分进步难掩整体落后

由于半导体材料研发投入大、周期长,而国内相关企业和科研院所大都急功近利,因此,我国半导体材料原始创新举步维艰,逐渐形成被国外主导的局面。仍以SiC为例,其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大,虽然已经经过了数十年的研究发展,目前为止也只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术,能够生产出较好的产品,国内在该领域的突破只能算万里长城第一步。

美国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件,而中国科学院半导体研究所在1995年才开始起步该方面的研究。设备方面,MOCVD系统是LED外延片、微波功率异质结构材料生产的必需设备,随着化合物半导体器件市场的不断扩大,MOCVD系统的需求量不断增长,而我国几乎全部依赖进口...[详细]

 
 
 
持久性战役   抱团式发展

研究表明,阻碍国内半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。原始创新即从无到有的创新过程,其特点是投入大、周期长。以SiC为例,其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大,虽然经过了数十年的研究发展,目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术,能够生产出较好的产品,但离真正的大规模产业化应用也还有较大的距离。反观国内,新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利,难以容忍长期“只投入,不产出”的现状,因此,以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰,是实现产业化的一大桎梏。

CMIC认为,对于第三代半导体材料这样需长期投入的产业,我们应该早早做好打持久战的准备,只有在持续的关注和投入下,大规模商业化方才有可能实现...[详细]

 

2014年的半导体领域,中国首次实现碳化硅大功率器件批量生产,突破了美、欧、日为主导的材料限制。业内专家对此评价颇高,认为这一突破有望缓解中国的能源危机。事实上,随着第三代半导体材料成为全球半导体研究的前沿和热点,我国在半导体材料发光器件、微波功率器件等关键研究领域正迎头赶上,甚至开始试产、试用,然而与国外同行相比,差距犹存。因此,CMIC认为,我国碳化硅材料的进步固然可喜,但难掩产业整体落后的尴尬。

CMIC认为,在此内外交困的情况下,国内半导体企业亟需抱团发展,强化自身以抵御外部竞争。2015年初,中国电谷第三代半导体产业技术创新战略联盟成立,该联盟聚集了第三代半导体材料的所有相关企业、科研院所及高校,是整体产业共赢共荣发展的有益尝试。一方面,该联盟可促进其中成员以强带弱,共同发展;另一方面,联盟可在相关技术与产品的研究、开发、生产、制造、服务等方面形成有效互动,实现联合攻关,增强整体实力...[详细]

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