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第三代半导体半导体发展进程
发布时间:2018-10-29
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  近年来,随着功率半导体器件、工业半导体、汽车电力电子等领域的空前发展,第三代半导体材料越发凸显其重要性与优越性。目前发达国家都将第三代半导体材料及相关器件等的发展列为半导体重要新兴技术领域。那么,什么是第三代半导体材料?
  

  
  三代半导体材料的发展变迁
  
  第一代半导体材料主要是指Si、Ge元素半导体,它们是半导体分立器件、集成电路和太阳能电池的基础材料。由于地球富含Si元素,所以目前大多数的半导体器件、集成电路等都是在Si衬底上加工形成的。经过几十年的发展,硅材料的制备与工艺日臻完美,Si基器件的设计和开发也经过了多次迭代和优化,正在逐渐接近硅材料的极限,Si基器件性能提高的潜力愈来愈小。
  
  第二代半导体材料是指化合物半导体材料,如GaAs、lnP、lnSb等,及三元化合物半导体材料,如GaAsAl、GaAsP等,还有一些固溶体半导体材料,如Ge-Si、GaAs-GaP等;玻璃半导体(又称非晶态半导体)材料,如非晶硅、玻璃态氧化物半导体等;有机半导体材料,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
  
  第三代半导体材料主要是以SiC、GaN、ZnO、金刚石、AlN为代表的宽禁带(禁带宽度2.3eVg<5.0eV,通常禁带宽度大于5.0eV的材料定义为绝缘材料)的半导体材料。目前较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,其中SiC技术最为成熟,而ZnO、金刚石和AlN等宽禁带半导体材料的研究尚属于起步阶段。
  

  
  如果说第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础,第二代半导体材料奠定了信息产业的基础,那么第三代半导体材料将是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。与前两半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力,满足现代电子技术对半导体材料提出的高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
  
  全球半导体产业竞争的焦点
  
  由于第三代半导体材料可以被广泛应用在各个领域,且具备众多的优良性能,可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈,故被市场看好的同时,随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。
  
  目前第三代半导体材料已经成为发达国家战略部署重点。美国、日本、欧盟等国家和地区均将其置于重要的战略位置,对其投入巨资进行支持。2013年日本政府将SiC纳入“首相战略”,认为未来50%的节能要通过它来实现;2014年1月,美国宣布设立国家下一代电力电子制造业创新学院,5年内将至少投入1.4亿美元,对宽带隙半导体技术进行研究,加速其商业化应用;2016年10月,美国成立半导体工作组,专注于加强美国的半导体产业;2015年英国政府和威尔士政府为卡迪夫大学投资超过2 900万英镑,用于建设新的化合物半导体研究所(ICS),该研究所不仅是下一代化合物半导体技术创新中心的重要组成部分,也是建设欧洲第5个半导体集群战略的关键组成部分。
  
  跨国企业也积极布局发展第三代半导体材料。第三代半导体材料吸引了大批国际巨头公司。美国的科锐公司、道康宁、II-VI公司、国际整流器公司、射频微系统公司、飞思卡尔半导体公司,德国的SiCrystal公司和Azzurro公司,英国的普莱思公司,日本的富士通公司和松下公司,加拿大的氮化镓系统公司等,纷纷开展第三代半导体材料产业化及应用技术研发工作,以期在未来半导体市场竞争中继续保持有利地位。
  
  我国紧抓第三代半导体材料弯道超车的机会
  
  虽然我国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低。但我国也在积极推进,国家和各地方政府陆续推出政策和产业扶持基金发展第三代半导体相关产业,地方政策也大量出台。一方面,多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划,另一方面,不少地方政府有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。2013 年科技部在“863”计划新材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。2015 年和 2016 年国家02 专项也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。2016年,福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策(不包括LED)近30条。
  
  随着国家对第三代半导体材料的重视,我国第3代半导体材料在研发和产业化方面取得很大成就。英诺赛科、世界先进、世纪金光半导体、中车时代电气等多家中国企业布局第三代半导体晶圆生产线,积极进行相关的研发与生产。2018年6月,中国电科二所SiC单晶粉和设备生产实现新突破,实现自主研发生产;同月,广东省“宽禁带半导体材料、功率器件及应用技术创新中心”成立,英诺赛科投资60亿元的宽禁带半导体项目落户苏州吴江;2018年7月,世界先进积极扩增8英寸GaN产能,预计明年中实现量产,是全球首座8英寸GaN代工厂,国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布;2018年8月,深圳加码第三代半导体产业布局,起草了《深圳市坪山区人民政府关于促进集成电路第三代半导体产业发展若干措施(征求意见稿)》,将依托5G试点建设第三代半导体产业集聚区;2018年9月,“十二五”期间,863计划重点支持的“第三代半导体器件制备及评价技术”项目进行验收;同月,国内首条碳化硅智能功率模块(SiC IPM)生产线在厦门芯光润泽科技有限公司正式投产……
  
  只有加快第三代半导体材料应用开发,我们才有望不再重蹈第一代、第二代半导体发展受制于人、下游应用领域高度依赖进口的被动局面。