灯光下的教室？碳化硅VS氮化镓，宽禁带半导体质料双雄能否带中国实现弯道超车？

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光源器件的创新方向（全光谱技术、健康照明）及趋势展望

碳化硅VS氮化镓，宽禁带半导体质料双雄能否带中国实现弯道超车？

2022-02-18    

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　　在现实天下中，没有人可以和“半导体”撇清关系。虽然这个观点听上去可能显得有些冰凉，然则你天天用的电脑，手机以及电视等等，都市用到半导体元件。半导体的主要性自不必说，今天我们来说一下半导体产业中一个很要害的组成部门，那就是半导体质料。

　　半导体质料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的主要质料。其生长经由了三个主要阶段：以硅为代表的第一代半导体质料、以砷化镓为代表的第二代半导体质料、以碳化硅为代表的第三代半导体质料。第三代半导体质料在众多方面具有广漠的应用远景，随着手艺的提高，质料工艺与器件工艺的逐步成熟在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体质料，成为电子信息产业的主宰。

　　今天我们主要说的就是第三代宽禁带半导体质料。

　　第三代半导体质料—宽禁带半导体质料

　　当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要顺应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了知足未来电子器件需求，必须接纳新的质料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新生长起来了第三代半导体质料－－宽禁带半导体质料，该类质料具有热导率高、电子饱和速率高、击穿电压高、介电常数低等特点，这就从理论上保证了其较宽的适用局限。现在，由其制作的器件事情温度可到达600 ℃以上、抗辐照1×106 rad；小栅宽GaN HEMT 器件划分在4 GHz下，功率密度到达40 W／mm；在8 GHz，功率密度到达30 W／mm；在18 GHz，功率密度到达9.1 W／mm；在40 GHz，功率密度到达10.5 W／mm；在80.5 GHz，功率密度到达2.1 W／mm，等。因此，宽禁带半导体手艺已成为当今电子产业生长的新型动力。

　　进入21世纪以来，随着摩尔定律的失效大限日益邻近，寻找半导体硅质料替换品的义务变得异常紧迫。在多位选手轮流登场后，有两位脱颖而出，它们就是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）——并称为第三代半导体质料的双雄。

　　碳化硅质料

　　碳化硅（SiC）俗称金刚砂，为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。SiC是现在生长最成熟的宽禁带半导体质料，已经形成了全球的质料、器件和应用产业链。

　　SiC器件和电路具有超强的性能和广漠的应用远景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的事态。现在，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、Dow Dcorning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公司的市场占有率跨越85％。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强，其碳化硅单晶质料的手艺水平可代表了国际水平，专家展望在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。美国Cree公司1993年最先有6H碳化硅抛光片商品出售，已往的十几年里不停有新品种加入，晶型由6H扩展到4H；电阻率由低阻到半绝缘；尺寸由2寸到6寸，150 mm（6英寸）抛光片已投入市场。

　　氮化镓质料

　　氮化镓

　　氮化镓（GaN、Gallium nitride）是氮和镓的化合物，是一种直接能隙的半导体，在大气压力下，GaN晶体一样平常呈六方纤锌矿结构，它在一个元胞中有4个原子，原子体积约莫为GaAs的1／2；其化学性子稳固，常温下不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以异常缓慢的速率消融；在HCl或H2下高温中出现不稳固特征，而在N2 下最为稳固。GaN质料具有优越的电学特征，宽带隙（3.39eV）、高击穿电压（3×106 V／cm）、高电子迁徙率（室温1000 cm2／V·s）、高异质结面电荷密度（1×1013 cm－2）等，因而被以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质料，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、更高温度的情形下事情。另外，氮化镓器件可以在1～110GHz局限的高频波段应用，这笼罩了移动通讯、无线网络、点到点和点到多点微波通讯、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远景而受到普遍的关注。

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　　作为一种具有怪异光电属性的半导体质料，GaN的应用可以分为两个部门：依附GaN半导体质料在高温高频、大功率事情条件下的精彩性能可取代部门硅和其它化合物半导体质料；依附GaN半导体质料宽禁带、引发蓝光的怪异征质开发新的光电应用产物。现在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显著的竞争优势，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。

　　GaN功率器件的制作工艺与GaAs工艺相似度高，甚至许多装备都是同时支持两种质料的工艺，因此，许多GaAs器件厂商逐渐增添GaN器件营业。现在，整个GaN功率半导体产业处于起步阶段，各国政策都在鼎力推进该产业的生长。国际半导体大厂也纷纷将眼光投向GaN功率半导体领域，关于GaN器件厂商的收购、相助不停发生，650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。

　　碳化硅与氮化镓的优瑕玷：

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　　第三代宽禁带半导体质料应用领域

　　半导体照明

　　LED衬底种别包罗蓝宝石、碳化硅、硅以及氮化镓。蓝光LED在用衬底质料来划分手艺蹊径。SiC衬底有用地解决了衬底质料与GaN的晶格匹配度问题，削减了缺陷和位错，更高的电光转换效率从基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、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强和优越的化学稳固性等优越特征，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的质料系统。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，最浩劫题在于价钱过高。

　　功率器件

　　2022年，SiC功率半导体市场(包罗二极管和晶体管)规模约为2亿美元，到2022年，其市场规模预计将跨越5.5亿美元，这时代的复合年均增进率预计将达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。

　　现在市场上主要GaN产物是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁徙率异质节晶体管(HEMT)和600伏HEMT夹杂串联开关，外洋厂商主要有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，质料厂商中稼半导体、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最先用于军用雷达、智能武器和通讯系统等方面。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展望，2022～2022年GaN射频器件市场将扩大至现在的2倍，市场复合年增进率(CAGR)将到达4%;2022年终，市场规模将扩大至现在的2.5倍。GaN在国防领域的应用主要包罗IED滋扰器、军事通讯、雷达、电子匹敌等。GaN将在越来越多的国防产物中获得应用，充实体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的伟大优势。

　　激光器和探测器

　　在激光器和探测器应用领域，GaN激光器已经乐成用于蓝光DVD，蓝光和绿色的激光未来伟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，若是手艺瓶颈获得突破，潜在产值将到达500亿美元。2022年诺贝尔奖获得者中村修二以为下一代照明手艺应该是基于GaN激光器的“激光照明”，有望将照明和显示融合生长。现在，只有外洋的日今天亚公司(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。

　　由于氮化镓优异的光电特征和耐辐射性能，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、卫星隐秘通讯、种种环境监测、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。

　　半导体质料生长趋势

　　宽禁带半导体质料作为一类新型质料，具有怪异的电、光、声等特征，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广漠的应用远景。它能够提高功率器件事情温度极限，使其在更恶劣的环境下事情;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。随着宽禁带手艺的提高，质料工艺与器件工艺的逐步成熟，其主要性将逐渐展现，在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体质料，成为电子信息产业的主宰。

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