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史上最全第三代半导体产业发展介绍(附世界各国研究概况解析)
来源: | 作者:id1506174 | 发布时间: 2018-08-10 | 3945 次浏览 | 分享到:
第3代半导体是指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、金刚石、氧化锌(ZnO)为代表的宽禁带半导体材料,各类半导体材料的带隙能比较见表1。与传统的第1代、第2代半导体材料硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比,第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力,是世界各国半导体研究领域的热点。

一、主要应用领域的发展概况  

目前,第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命,无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品,都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同。


1半导体照明  
在4个应用领域中,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的产业规模。半导体照明所使用的材料体系主要分为3种:蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN,每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高,但由于散热较好,非常适合制造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3种材料体系中制造成本最低的,适用于低成本显示。


电力电子器件  
在电力电子领域,宽禁带半导体的应用刚刚起步,市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域,正逐步向民用领域拓展。微波器件方面,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。功率器件方面,GaN和SiC两种材料体系的应用领域有所区别。Si基GaN器件主要的应用领域为中低压(200~1 200V), 如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源;而SiC基GaN则集中在高压领域(>1 200V),如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。


激光器和探测器  
在激光器和探测器应用领域,GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围,实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘,其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外,紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用,总计市场容量为12亿美元。蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起,实现全真彩显示,使激光电视实现广泛应用。目前,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。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,但尚未实现产业化。


其他应用  
在前沿研究领域,宽禁带半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介、及其他一些新兴应用,目前这些热点领域还处于实验室研发阶段。


在以上4个应用领域中,半导体照明和电力电子器件2个领域成为了2014年初关注焦点。前者是因为美国"白炽灯"禁令于2014年1月1日开始实施,停止销售市场最畅销的40W和60W白炽灯,此举旨在推广紧凑型荧光灯、LED灯和其他高能效比节能灯泡。随着世界各国相继出台全面淘汰白炽灯的政策法规,预计2014年将成为半导体照明近期发展最快的一年。后者是受到美国政府"国家制造业创新网络"计划的影响。2014年1月15日,奥巴马总统宣布成立"新一代电力电子器件国家制造创新中心",在未来5年内,该中心通过美国能源部投资7 000万美元,带动企业和研究机构投入7 000万美元以上匹配资金,致力于研发和制造高性能并具有价格竞争优势的半导体电力电子器件。中心将由美国北卡罗来纳州立大学领导,会同阿西布朗勃法瑞公司(ABB)、科锐公司(Cree, Inc)、射频微器件公司(RF Mico Devices, Inc.)、台达公司(Delta Products Inc.)、阿肯色电力电子国际公司(Arkansas Power Electronics International, Inc.)、东芝国际公司(Toshiba International Corporation)、美国海军研究实验室(U.S. Naval Research Laboratory)等超过25家公司、大学及政府机构,此举将极大地加速宽禁带半导体电力电子器件在民用领域的应用,并引发全球的关注。基于这些原因,本文将重点对上述2个领域近期的发展情况进行进一步的介绍。

二、半导体照明

随着照明科技的不断进步,半导体发光二极管(LED)作为一种固体照明光源,以其高光效、长寿命、节能环保、应用广泛等诸多优势,正在逐步替代传统的白炽灯,成为继白炽灯、荧光灯之后的又一次光源革命。LED灯比传统的白炽灯发光效率高80%左右,寿命长2倍,且不含汞、铅等有害物质,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。根据美国能源部研究报告,一个价值15美元的LED灯,在其生命周期内,将比白炽灯节省超过140美元的电费。


近年来,随着LED发光效率的大幅度提升,单位流明的价格逐步下降,各类创新产品不断涌现,照明质量不断提高。其应用已从最初的指示灯,逐步拓展到室内照明、舞台照明、景观照明等各个照明领域。目前,照明耗能约占整个电力消耗的20%左右,降低照明用电已成为节省能源的重要途径。为此,发达国家纷纷宣布白炽灯淘汰计划,积极推广LED照明,应对逐年的全球温室效应。美国、欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、韩国等国相继宣布停止销售白炽灯。我国也将于2012-2016年,逐步淘汰白炽灯。

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国外LED产业发展概况  
美国是半导体照明技术的领跑者,一直处于技术和产业的领先地位。为了减少照明电力的能源消耗,缓解能源枯竭,美国能源局自2000年就开始推动固态照明技术研究,逐步实现固态照明对传统照明的替代。随后,奥巴马的"美国能源新政"把发展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推动能源结构的调整作为促进美国经济复苏和创造就业最重要的举措。半导体照明技术被认为是能源应用领域中重要的技术创新之一,在美国能源结构的转型中发挥重要作用。


美国能源部的固态照明发展战略规划共获得美国国会2.98 亿美元的拨款,资助了超过200个研究项目。此计划取得了显著的经济和社会效益,根据相关研究报道,2012年LED灯为美国节省了71万亿BTU(英国热量单位),相当于节省了6.75亿美元的能源开支。预计2030 年美国 LED照明的普及能够将能源消耗节省近半,2010-2030年期间所节省的累计电量将达2 700TWh,相当于剩下2 500亿美元的开销,也等同于18亿t二氧化碳排放量。


除美国以外,其他发达国家也积极推动LED产业的发展。日本早在1998年就推出了"21世纪光计划",投入60亿日元用于开发白光LED照明光源,计划在2020年实现100%的照明产品为新一代高效率照明。欧洲则于2000年开始的"彩虹计划",通过欧盟补贴来推广LED的应用。在随后推出的"地平线2020"计划中,固体照明和OLED都被囊括其中,光电子领域的投入将达到7亿欧元。韩国在2002年提出"GaN半导体开发计划",国家投入1亿美元推动LED照明发展。在随后的"15/30计划"中,又投入50亿韩元经费,进行LED照明的标准规范拟定作业,并规划在2015年前将境内30%的照明淘汰换成LED照明。


中国LED产业概况  
我国LED产业起步于20世纪70年代,发展迅速。在政府的大力扶持下,经过30多年的发展,已经初步形成了外延片、芯片、封装及产品应用完成产业链,成为全球照明产业变革中转型升级发展最快的区域之一。通过科技部推出的"十城万盏"半导体照明应用示范工程,截至2011年底,已经有420万盏以上LED灯具得到示范应用,实现年节电4.2亿kWh。根据国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)的最新数据显示,2013年,我国功率型白光LED产业化光效达140 lm/W,拥有自主知识产权的功率型硅基LED 芯片产业化光效达到130 lm/W,芯片的国产化率达到75% 。


2013 年,我国半导体照明产业整体规模达到2 576 亿元,较2012 年的1 920 亿元增长34%。其中上游外延芯片生产产值规模达到105亿元,增长率为31.5%;中游封装产业规模达到403 亿元,增长率为26%;下游应用领域整体规模达到2 068 亿元,增长率达到36%。根据联盟预计,2014 年,国内半导体照明产业将继续保持高速增长,预计增长率达到40%左右。外延芯片产值增长率预计达到35%左右,封装产业预计增速在20%左右,应用环节产值增长率超过50%。


未来技术及产业发展方向  
现阶段LED灯的整体发光效率可达130~160 lm/W,已经具有取代传统照明市场实力,预计发光效率还将快速提升,2015年将达到160~190 lm/W,2020年将达到235 lm/W左右(见表2)。目前,制约LED大规模应用的关键仍然是价格因素。虽然在过去的5年中,LED照明产品的售价有了大幅度的下降,但和普通的节能灯相比仍不具备价格优势(见图3)。近几年来,随着生产成本下降和资本大量流入的影响,这种局面开始产生变化,LED照明与传统照明产品之间的价格差距正在逐渐缩小。2013年末到2014年初,在许多国家和区域,无论是取代40W或是60W的LED灯最低售价都已经跌破10美元,全球这两种LED灯平均价格也分别下降到15美元和21美元的低位。许多人认为10美元的价格区间将是家庭住宅大规模选择使用LED灯具的一个关键转折点,因此2014年很有可能将成为LED照明需求快速增长的一年,成为LED照明产品的拐点年。预计2014年LED照明渗透率也将由8%~10%提升至32.7%,LED照明市场产值达到为353亿美元,较2013年成长 47.8%。到2020年,全球LED照明市场份额有望增长到840亿美元。


三、电力电子器件  
在20世纪,硅基半导体电力电子器件被广泛应用于计算机、通信和能源等行业,为人们带来了各种强大的电子设备,深刻地改变着每一个人的生活,在过去的几十年中一直推动着科学的进步和发展。随着硅基电力电子器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性,给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子元件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。基于这些优势,宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景。


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军事方面的应用  
最初,针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。早在1987年,美国政府和相关研究机构就促成了科锐公司(Cree)的成立,专门从事SiC半导体的研究。随后,美国国防部和能源部先后启动了"宽禁带半导体技术计划"和"氮化物电子下一代技术计划",积极推动SiC和GaN宽禁带半导体技术的发展。美国政府一系列的部署引发了全球范围内的激烈竞争,欧洲和日本也相继开展了相关研究。欧洲开展了面向国防和商业应用的"KORRIGAN"计划和面向高可靠航天应用的"GREAT2"计划。日本则通过"移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发"、"氮化镓半导体低功耗高频器件开发"等计划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用。经过多年的发展,发达国家在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果,实现了在军事国防领域的广泛应用。


由于SiC和GaN两种材料的特性不同,它们的应用领域也有所区别:GaN主要是用作微波器件,而SiC主要是作为大功率高频功率器件。GaN材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍,是制造微波器件的理想材料,被应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备,用来提高雷达性能和减小体积。根据报道,美国海军新一代干扰机吊舱、空中和导弹防御雷达AMDR正在采用GaN来替代GaAs 器件,以取代洛马公司的SPY-1相控阵雷达(宙斯盾系统核心雷达)。SiC则应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统,起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。美国新型航空母舰CVN-21级福特号配备的4个电磁弹射系统均靠电力驱动,能在300英尺的距离内把飞机速度提高到160海里/h。其区域配电系统采用全SiC器件为基础的固态功率变电站,这使得每个变压器的质量从6t减少为1.7t,体积从10m3减少为2.7m3。


民用领域应用  
随着在军事领域的应用逐步成熟,宽禁带半导体的应用开始逐步拓展到民用应用领域,其节能效应也将惠及到国民经济的方方面面。近年来,信息技术在原有基础上又得到快速发展,大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及,所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。根据预测,美国电力电子设备用电量占总量的比例将从2005年的30%增长到2030年的80%。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件,绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体,从而可有效减小电子跨越的鸿沟,减少能源损耗。其相关器件的推广应用将给工业电机系统、消费类电子产品、新能源等领域带来深远的影响。

(1)工业电机系统  在传统工业控制领域,交流电机控制、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等都需要功率器件。对于工业电机系统来说,更高效、更紧凑的宽禁带半导体变频驱动器可使电机的转速实现动态调整,这将使得泵、风机、压缩机及空调系统所用的各类驱动电机变得更加高效、节能。根据报道,在美国,电机系统用电量占制造业的70%左右,通过使用宽禁带半导体变频驱动器,美国每年直接节省的电力相当于100万户美国家庭用电的年消耗量。随着宽禁带半导体变频驱动器的应用逐步扩展,最终节省的电力可供690万户美国家庭使用。 
(2)消费电子产品  消费电子产品将是宽禁带半导体应用的另一大领域。目前,家庭拥有的电器总量惊人,各类家电通常都需要各种不同的功率器件控制;公共场所空调、照明、装饰、显示、计算机、自动控制等也需要大量的功率器件。笔记本电脑、智能手机、平板电脑、计算机和服务器等消费电子产品所使用的电源转换器虽然单个能耗不大,但其使用数量庞大,损耗总和相当惊人。宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。通过使用宽禁带半导体,美国在此领域节约的电力可供130万户美国家庭使用。 
(3)新能源领域
  为了摆脱对化石燃料的依赖、减少温室气体的排放,各国政府都开始大力发展可再生能源产业。太阳能发电和风能发电系统所产生的电力需要从直流电源转换成交流电,继而才能与电网相连接使用。由于风能的不稳定性,风力发电机输出非固定频率的交流电,需要进行交-直-交的转换才能并网使用。宽禁带半导体逆变器可以使得这个过程的效率更高,美国每年节省的电力足够供美国75万户家庭使用。此外,对于智能电网来说,使用宽禁带半导体制成的逆变器、变压器和晶体管等,有助于克服发电、输电、配电及终端使用所面临的一系列问题,帮助建立一个更智能、更可靠、更具弹性的新一代电网。例如,一个宽禁带半导体逆变器,其性能是传统逆变器性能的4倍,同时成本和质量分别减少50%和25%。对于较大规模的逆变器,宽禁带半导体逆变器的质量可以减轻大约3 600kg。

在电动汽车和混合动力汽车领域,宽禁带半导体可以把直流快充电站缩小到微波炉一样大小,并减少2/3的电力损失。由于这些电子产品可以承受更高的工作温度,可使得车辆冷却系统的体积减少60%,甚至消除了二次液体冷却系统。

市场前景     
基于宽禁带半导体的广阔应用前景、巨大的市场需求和经济效益,继半导体照明以后,美国将第三代半导体材料的电子电力器件应用提升到国家战略的高度,确保美国在这一领域的优势地位。相对于半导体照明行业,宽禁带半导体在电子电力领域的应用刚刚起步,但预计其潜在市场容量超过300亿美元。


功率器件方面,2012年全球SiC和GaN基功率器件市场的销售规模仅为1亿多美元,大部分应用集中在电源。其中,SiC基器件的市场规模达到9 000万美元,而GaN基器件仅为1 000多万。2013年,各大企业纷纷推出GaN功率器件样品,这标志着其在民用市场的商业化进程开始加速。随着价格下降和产量的增加,预计市场拐点或将出现在2015年。SiC基器件的价格有望下降到2012年的一半左右,GaN基器件的价格也可能进一步下降,届时市场规模有望接近5亿美元。2020年,市场规模将达到20亿美元,相比2012年提高20倍。微波器件方面,2012年GaN基微波器件市场收入接近9 000万美元,预计GaN整体市场微波及功率器件到2015年达到3.5亿美元。


我国开展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比较晚,在科技部及军事预研项目的支持下,取得了一定的成果,逐步缩小了与国外先进技术的差距,在军工领域已取得了一些应用。但是,研究的主要成果还停留在实验室阶段,器件性能离国外的报道还有很大差距。目前,已有少数企业成功开发SiC和GaN材料及器件,GaN微波器件和SiC功率器件于2013年进入小批量生产阶段,预计在未来2~3年内将实现量产。


史上最全的第三代半导体材料,世界各国研究概况解析!

材料、信息、能源构筑的当代文明社会,缺一不可。半导体不仅具有极其丰富的物理内涵,而且其性能可以置于不断发展的精密工艺控制之下,可谓是"最有料"的材料。在不久的将来,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料的应用,无论是在军用领域还是在民用市场,都是世界各国争夺的战略阵地。


半导体材料的发展历程

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体,半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 

 目前的半导体材料已经发展到第三代。第一代半导体材料主要以硅(Si)、锗(Ge)为主,20世纪50年代,Ge在半导体中占主导地位,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但是Ge半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,到60年代后期逐渐被Si器件取代。用Si材料制造的半导体器件,耐高温和抗辐射性能较好。Si储量极其丰富,提纯与结晶方便,二氧化硅(SiO2)薄膜的纯度很高,绝缘性能很好,这使器件的稳定性与可靠性大为提高,因此Si已经成为应用最广的一种半导体材料。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。在21世纪,它的主导和核心地位仍不会动摇。但是Si材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。


 
20世纪90年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,能污染环境,InP甚至被认为是可疑致癌物质,这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等,因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV),又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,是半导体材料领域最有前景的材料,在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景,在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,对人类科技的发展具有里程碑的意义。


第三代半导体材料

1碳化硅单晶材料

在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言,碳化硅是这族材料中最高的,是宽禁带半导体的核心。 SiC材料是IV-IV族半导体化合物,具有宽禁带(Eg:3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点。从结构上讲,SiC材料属硅碳原子对密排结构,既可以看成硅原子密排,碳原子占其四面体空位;又可看成碳原子密排,硅占碳的四面体空位。对于碳化硅密排结构,由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域,用于制备高频、高温、大功率器件;6H-SiC特别适用于光电子领域,实现全彩显示。 


随着SiC技术的发展,其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。 

SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景,因此一直受业界高度重视,基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。 目前,国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree公司、Bandgap公司、DowDcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司;日本的Nippon公司、Sixon公司;芬兰的Okmetic公司;德国的SiCrystal公司,等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强,其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平,专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。


2
氮化镓材料

GaN材料是1928年由Johason等人合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 

在大气压力下,GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构,它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的1/2;其化学性质稳定,常温下不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解;在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性,而在N2下最为稳定。GaN材料具有良好的电学特性,宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106V/cm)、高电子迁移率(室温1000cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等,因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的最优选材料,相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件,GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外,氮化镓器件可以在1~110GHz范围的高频波段应用,这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。


近年来,以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。
 作为一种具有独特光电属性的半导体材料,GaN的应用可以分为两个部分:凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料;凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势,其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。


国外在氮化镓体单晶材料研究方面起步较早,
现在美国、日本和欧洲在氮化镓体单晶材料研究方面都取得了一定的成果,都出现了可以生产氮化镓体单晶材料的公司,其中以美国、日本的研究水平最高。

美国有很多大学、研究机构和公司都开展了氮化镓体单晶制备技术的研究,一直处于领先地位,先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生产出氮化镓单晶衬底。Kyma公司现在已经可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化镓单晶衬底,且已研制出4英寸氮化镓单晶衬底。


日本在氮化镓衬底方面研究水平也很高,其中住友电工(SEI)和日立电线(HitachiCable)已经开始批量生产氮化镓衬底,日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)等也开展了相关研究。日立电线的氮化镓衬底,直径达2英寸,衬底上位错密度都达到1×106cm-2水平。
  


欧洲氮化镓体单晶的研究主要有波兰的Top-GaN和法国的Lumilog两家公司。TopGaN生产GaN材料采用HVPE工艺,位错密度1×107cm-2,厚度0.1~2mm,面积大于400mm2。综上,国外的氮化镓体单晶衬底研究已经取得了很大进展,部分公司已经实现了氮化镓体单晶衬底的商品化,技术趋于成熟,下一步的发展方向是
大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料 


AlN材料是Ⅲ族氮化物,具有0.7~3.4eV的直接带隙,可以广泛应用于光电子领域。与砷化镓等材料相比,覆盖的光谱带宽更大,尤其适合从深紫外到蓝光方面的应用,同时Ⅲ族氮化物具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等优点,使得Ⅲ族氮化物器件相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件,可以在更高频率、更高功率、更高温度和恶劣环境下工作,是最具发展前景的一类半导体材料。

AlN材料具有宽禁带(6.2eV),高热导率(3.3W/cm·K),且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好,所以AlN是制作先进高功率发光器件(LED,LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。

近年来,GaN基蓝、绿光LED、LD、紫外探测器以及大功率高频HEMT器件都有了很大发展。在AlGaNHEMT器件方面,AlN与GaN材料相比有着更高的热导率,而且更容易实现半绝缘;与SiC相比,则晶格失配更小,可以大大降低器件结构中的缺陷密度,有效提高器件性能。AlN是生长Ⅲ族氮化物外延层及器件结构的理想衬底,其优点包括:与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失配;化学性质相容;晶体结构相同,不出现层错层;同样有极化表面;由于有很高的稳定性并且没有其它元素存在,很少会有因衬底造成的沾污。AlN材料能够改善器件性能,提高器件档次,是电子器件发展的源动力和基石。  


目前国外在AlN单晶材料发展方面,以美国、日本的发展水平为最高。
 美国的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制备AlN基片技术,并实现产业化的唯一单位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或蓝宝石衬底上淀积10~30μm的电绝缘AlN层。主要用作低缺陷电绝缘衬底,用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已经有2、3、4、6英寸产品。日本的AlN技术研究单位主要有东京农工大学、三重大学、NGK公司、名城大学等,已经取得了一定成果,但还没有成熟的产品出现。另外俄罗斯的约菲所、瑞典的林雪平大学在HVPE法生长AlN方面也有一定的研究水平,俄罗斯NitrideCrystal公司也已经研制出直径达到15mm的PVTAlN单晶样品。在国内,AlN方面的研究较国外明显滞后,一些科研单位在AlNMOCVD外延生长方面,也有了初步的探索,但都没有明显的突破及成果。


金刚石是碳结晶为立方晶体结构的一种材料。在这种结构中,每个碳原子以"强有力"的刚性化学键与相邻的4个碳原子相连并组成一个四面体。金刚石晶体中,碳原子半径小,因而其单位体积键能很大,使它比其他材料硬度都高,是已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10400kg/mm2)。


另外,金刚石材料还具有禁带宽度大(5.5eV);热导率高,最高达120W/cm·K(-190℃),一般可达20W/cm.K(20℃);传声速度最高,介电常数小,介电强度高等特点。
金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身,是目前最有发展前途的半导体材料。依据金刚石优良的特性,应用十分广泛,除传统的用于工具材料外,还可用于微电子、光电子、声学、传感等电子器件领域。
  


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氧化锌 

氧化锌(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的半导体材料,禁带宽度为3.37eV;另外,其激子束缚能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多,如此高的激子束缚能使它在室温下稳定,不易被激发(室温下热离化能为26meV),降低了室温下的激射阈值,提高了ZnO材料的激发效率。 基于这些特点,ZnO材料既是一种宽禁带半导体,又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。  


它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光电器件,还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口材料以及变阻器、压电转换器等
 。相对于GaN,ZnO制造LED、LD更具优势,具预计,ZnO基LED和LD的亮度将是GaN基LED和LD的10倍,而价格和能耗则只有后者的1/10。 

ZnO材料以其优越的特性被广泛应用,受到各国极大关注。

日、美、韩等发达国家已投入巨资支持ZnO材料的研究与发展,掀起世界ZnO研究热潮。 据报道,日本已生长出直径达2英寸的高质量ZnO单晶;我国有采用CVT法已生长出了直径32mm和直径45mm、4mm厚的ZnO单晶。材料技术的进步同时引导和推进器件技术的进步,日本研制出基于ZnO同质PN结的电致发光LED;我国也成功制备出国际首个同质ZnO-LED原型器件,实现了室温下电注入发光。器件制备技术的进步,推动ZnO半导体材料实用化进程,由于其独特的优势,在国防建设和国民经济上将有很重要的应用,前景无限。


半导体材料的应用


半导体照明
 

半导体照明技术及其产品正向着更高光效、更低成本、更可靠、更多元化领域和更广泛应用的方向发展。新型衬底上外延高效率GaN-LED正是突破蓝宝石衬底外延瓶颈的发展趋势。SiC是除了蓝宝石之外,作为GaN外延衬底使用最多的材料。但是,眼下SiC 衬底的市场主要被Cree公司垄断,导致其市场价格远高于蓝宝石,所以SiC 衬底的应用还远没有蓝宝石那样广泛。


美国Cree公司依靠其掌握的SiC晶体制备和LED外延等关键技术,逐步实现了从SiC衬底到LED外延、芯片封装、灯具设计的完整照明器件产业链,垄断了整个SiC衬底LED照明产业。2013年,Cree公司报道的LED发光效率已经超过276lm/W。Cree的LED照明产业的年产值达到了12亿美元,市场规模增长迅速。由此可见,SiC衬底LED在照明产业中占据的市场规模不容小觑,表现出很强的市场竞争力和技术竞争力。

另外,采用自支撑 GaN 衬底制备LED可以最大程度地降低LED外延结构的晶格失配和热失配,实现真正的同质外延,可以大幅度降低由异质外延引起的位错密度。国际上相关报道较多的几个研究组是美国的通用公司(GE)、加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)、佐治亚理工学院(Georgia Tech)、西弗吉尼亚大学(West Virginia)大学、以及日本的住友(Sumitomo) 电工、松下(Panasonic)和三菱(Mitsubishi)等。美国 UCSB 的研究人员在2012年报道自支撑GaN衬底上同质外延LED的发光效率已经超过160lm/W。并且在较高电流密度下,光输出依然没有饱和,且反向漏电流极低。在高注入电流条件下,GaN同质衬底外延技术表现出蓝宝石外延技术所没有的性能优势。


短波长激光器

大功率、低成本的短波长激光器一直是激光技术研究的重点和难点,而III族氮化物材料体系的光谱特性决定其将在短波长固态激光器领域大显身手。

氮化物半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命长、易于调制等特点,有助于实现更高的亮度、更长的寿命和更丰富的色彩。信息科技的发展迫切需要功率密度更高、发光波长更短的激光器。

由于绿色光在水下的损耗较小,绿光半导体激光器可用于深海光无线通信,其具有抗干扰、保密性好的优点。蓝色和紫外光激光器由于其波长短,能量高,能实现更大的存储密度(单张单层蓝光光盘的存储密度最少为25GB,是普通DVD光盘的5倍),在信息领域将对数据的光存储产生革命性的影响。


近年来,绿光激光器的重点突破是基于GaN衬底的高In组分同质外延和二次外延技术,实现InGaN材料中In组分超过35%,激射波长达到510~530nm的绿光激光器。紫外光激光器的重要突破是AlN模板(低成本)与AlN衬底(高性能)互补结合,实现高质量、高Al组分AlGaN材料的外延制备技术,实现发光波长280~300nm,室温光泵浦发光的紫外激光器。


光伏电池

第3代半导体在新能源领域同样具有重要应用前景。GaN材料体系中的InGaN(铟镓氮)太阳能电池的光学带隙可连续调节,特别适合于制作多结叠层太阳能光伏电池,实现全太阳可见光谱能量的吸收利用,提高光伏电池的转换效率。其理论转换效率可达70%,远远超过其他材料体系。同时,InGaN的抗辐射能力远强于目前常用的Si、GaAs等太阳能电池材料,更适合应用于存在强辐射的外太空环境中,如为外太空航天器提供动力的太阳帆,因此InGaN太阳能电池在航空航天等领域也有广泛应用。

结语


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。