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第三代半導體半導體發展進程
發布時間:2018-10-29
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  近年來,隨著功率半導體器件、工業半導體、汽車電力電子等領域的空前發展,第三代半導體材料越發凸顯其重要性與優越性。目前發達國家都將第三代半導體材料及相關器件等的發展列為半導體重要新興技術領域。那么,什么是第三代半導體材料?
  

  
  三代半導體材料的發展變遷
  
  第一代半導體材料主要是指Si、Ge元素半導體,它們是半導體分立器件、集成電路和太陽能電池的基礎材料。由于地球富含Si元素,所以目前大多數的半導體器件、集成電路等都是在Si襯底上加工形成的。經過幾十年的發展,硅材料的制備與工藝日臻完美,Si基器件的設計和開發也經過了多次迭代和優化,正在逐漸接近硅材料的極限,Si基器件性能提高的潛力愈來愈小。
  
  第二代半導體材料是指化合物半導體材料,如GaAs、lnP、lnSb等,及三元化合物半導體材料,如GaAsAl、GaAsP等,還有一些固溶體半導體材料,如Ge-Si、GaAs-GaP等;玻璃半導體(又稱非晶態半導體)材料,如非晶硅、玻璃態氧化物半導體等;有機半導體材料,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。
  
  第三代半導體材料主要是以SiC、GaN、ZnO、金剛石、AlN為代表的寬禁帶(禁帶寬度2.3eVg<5.0eV,通常禁帶寬度大于5.0eV的材料定義為絕緣材料)的半導體材料。目前較為成熟的是SiC和GaN半導體材料,其中SiC技術最為成熟,而ZnO、金剛石和AlN等寬禁帶半導體材料的研究尚屬于起步階段。
  

  
  如果說第一代半導體材料奠定了微電子產業的基礎,第二代半導體材料奠定了信息產業的基礎,那么第三代半導體材料將是提升新一代信息技術核心競爭力的重要支撐。與前兩半導體材料相比,第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力,滿足現代電子技術對半導體材料提出的高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求,更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
  
  全球半導體產業競爭的焦點
  
  由于第三代半導體材料可以被廣泛應用在各個領域,且具備眾多的優良性能,可突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸,故被市場看好的同時,隨著技術的發展有望全面取代第一、二代半導體材料。
  
  目前第三代半導體材料已經成為發達國家戰略部署重點。美國、日本、歐盟等國家和地區均將其置于重要的戰略位置,對其投入巨資進行支持。2013年日本政府將SiC納入“首相戰略”,認為未來50%的節能要通過它來實現;2014年1月,美國宣布設立國家下一代電力電子制造業創新學院,5年內將至少投入1.4億美元,對寬帶隙半導體技術進行研究,加速其商業化應用;2016年10月,美國成立半導體工作組,專注于加強美國的半導體產業;2015年英國政府和威爾士政府為卡迪夫大學投資超過2 900萬英鎊,用于建設新的化合物半導體研究所(ICS),該研究所不僅是下一代化合物半導體技術創新中心的重要組成部分,也是建設歐洲第5個半導體集群戰略的關鍵組成部分。
  
  跨國企業也積極布局發展第三代半導體材料。第三代半導體材料吸引了大批國際巨頭公司。美國的科銳公司、道康寧、II-VI公司、國際整流器公司、射頻微系統公司、飛思卡爾半導體公司,德國的SiCrystal公司和Azzurro公司,英國的普萊思公司,日本的富士通公司和松下公司,加拿大的氮化鎵系統公司等,紛紛開展第三代半導體材料產業化及應用技術研發工作,以期在未來半導體市場競爭中繼續保持有利地位。
  
  我國緊抓第三代半導體材料彎道超車的機會
  
  雖然我國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚,與國外相比水平較低。但我國也在積極推進,國家和各地方政府陸續推出政策和產業扶持基金發展第三代半導體相關產業,地方政策也大量出臺。一方面,多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關規劃,另一方面,不少地方政府有針對性對當地具有一定優勢的SiC和GaN材料企業進行扶持。2013 年科技部在“863”計劃新材料技術領域項目征集指南中明確將第三代半導體材料及其應用列為重要內容。2015 年和 2016 年國家02 專項也對第三代半導體功率器件的研制和應用進行立項。2016年,福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區出臺第三代半導體相關政策(不包括LED)近30條。
  
  隨著國家對第三代半導體材料的重視,我國第3代半導體材料在研發和產業化方面取得很大成就。英諾賽科、世界先進、世紀金光半導體、中車時代電氣等多家中國企業布局第三代半導體晶圓生產線,積極進行相關的研發與生產。2018年6月,中國電科二所SiC單晶粉和設備生產實現新突破,實現自主研發生產;同月,廣東省“寬禁帶半導體材料、功率器件及應用技術創新中心”成立,英諾賽科投資60億元的寬禁帶半導體項目落戶蘇州吳江;2018年7月,世界先進積極擴增8英寸GaN產能,預計明年中實現量產,是全球首座8英寸GaN代工廠,國內首個《第三代半導體電力電子技術路線圖》正式發布;2018年8月,深圳加碼第三代半導體產業布局,起草了《深圳市坪山區人民政府關于促進集成電路第三代半導體產業發展若干措施(征求意見稿)》,將依托5G試點建設第三代半導體產業集聚區;2018年9月,“十二五”期間,863計劃重點支持的“第三代半導體器件制備及評價技術”項目進行驗收;同月,國內首條碳化硅智能功率模塊(SiC IPM)生產線在廈門芯光潤澤科技有限公司正式投產……
  
  只有加快第三代半導體材料應用開發,我們才有望不再重蹈第一代、第二代半導體發展受制于人、下游應用領域高度依賴進口的被動局面。

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