电子发烧友网报道(文/程文智)这几年GaN和SiC等第三代半导体器件的商用化进展还不错,GaN器件在快充上开始大规模应用,SiC器件也在汽车上崭露头角。现在大家对第三代半导体器件的前景非常看好,很多企业也一头扎入了第三代半导体产业当中。
就在第三代半导体在商用化之路上高歌凯进的时候,第四代半导体材料也取得了不少进步。不久前,在与2021第十六届“中国芯”集成电路产业促进大会同期举办的“宽禁带半导体助力碳中和发展峰会”上,北京邮电大学电子工程学院执行院长张杰教授分享了《超宽禁带半导体氧化镓材料与器件研究》报告。
图:北京邮电大学电子工程学院执行院长张杰教授在分享氧化镓的研究成果
他在报告中表示,氧化镓是被国际普遍关注并认可的第四代半导体材料,是日盲光电器件最佳材料。他介绍了氧化镓材料的优势、发展进程,以及北邮在氧化镓材料研究方面取得的成果。
氧化镓材料的优势
后摩尔时代,具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出,将推动电力电子器件提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本。而超宽禁带的禁带宽度,决定了耐压值、损耗、功率、频率,以及使用等方面,超宽禁带材料相对于硅基和第三代半导体材料都有优势。
第四代半导体比较典型的材料有氧化镓、金刚石等。据张杰教授透露,北欧对氧化镓材料进行了长时间的研究工作。氧化镓半导体材料,是目前国际上普遍关注和认可的下一代超宽禁带代表性材料。
目前,对第四代半导体材料的研究和发展,已经进入了国际研究视野。与第三代半导体材料相比,第四代半导体材料在耐压性能、频率性能上又有一些新的提升。而且根据国际上著名出版集团每年对相关研究主题进行论文的学术统计,氧化镓的研究工作进入科睿唯安2021研究前沿物理类,已经得到了研究上的推进。
在张杰教授看来,未来氧化镓材料会在电力电子器件的应用上扮演相当重要的角色,因为与SiC材料相比,氧化镓可以将导通电阻降低7倍,损耗降低86%,可以满足功率半导体器件阻断状态可承受高电压;导通状态应具备高电流密度和低导通压降;以及满足开关时间短和损耗低的要求,非常适合电力电子器件的应用。
另外,氧化镓材料的性能也很强大,带隙宽度为4.9eV,击穿场强高达8MV/cm、Baliga优值达到了3214,导通电阻也很低。更为重要的是,一旦批量生产,氧化镓的成本仅为第三代半导体材料成本均值的1/3,它更具成本优势。
另外一个氧化镓材料应用,是利用它的超宽禁带的属性制作的光电子器件。也就是主要用于日盲光电器件,即紫外区域,波长短,禁带宽。由于日盲紫外技术在红外紫外双色制导、导弹识别跟踪、舰载通信等国防领域具有重大战略意义。当然,除了国防,该技术在电网安全监测、医学成像、海上搜救、环境与生化检测等民生领域也有很重要的应用。
氧化镓才来的发展进展
跟氮化镓和碳化硅等第三代半导体材料相比,氧化镓材料的研究水平要相对滞后。目前氧化镓材料还主要停留在试验研究和小批量商业供货阶段。但其前景其实还是很不错的。首先,其元素储量相对丰富,而且性能、能耗和未来成品率方面都算不错。就目前来看,其产业化相对容易。
对氧化镓材料的研究日本起步最早,2011年就开始大力发展与氧化镓相关的技术研究了,目前日本的商业化水平也做得最好。美国在2018年也开始了对氧化镓材料的研究。我国对材料的关注也在不断加强,在十四五规划里就将第三代半导体材料作为发展的重点,并且在科技规划里,将超宽禁带半导体材料列入了战略研究布局。2018年我国也启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究。
目前在氧化镓方面的研究,日本走在的最前列,日本的田村是世界上首家研发出氧化镓单晶的公司,并进行了UVLED、紫外探测器的研发。张杰教授表示,目前全球只有田村有供给研究用的氧化镓单晶衬底。另根据公开的资料显示,田村在2017年的日本高新技术博览会上推出了氧化镓SBD功率器件。
关于氧化镓材料的产业化进展方面,首先需要做材料衬底,单晶制作。目前氧化镓的单晶制备方法有浮区法(FZ)、导模法(EFG)、提拉法(CZ)和垂直布里奇曼法(VB)几种。国际上已经开始了单晶制备方面的研究,但都是做小规模的试验应用。现在有两条路线比较受欢迎,即导模法和提拉法。
根据这几年的实践,大家对导模法的成品率比较认可,可以满足商业要求。大部分公司都采用了这一技术路线来制作单晶。田村商业供应的2英寸氧化镓单晶采用的就是该技术。2016年田村还用导模法生产出了6英寸单晶,但是并没有实现批量供货。国内不同的大学和机构也已经在开展相关的研究工作了。2019年底,北邮成功实现了导模法生长3英寸的单晶。
制备单晶的最终目的是为了生产各种各样的器件,目前在器件方面也有一些进展了。利用氧化镓材料生产的功率器件将有更高的耐压值,可以超越碳化硅和氮化镓的物理极限。
最后,张杰教授还介绍了北邮在氧化镓材料和器件研究方面取得的进展。据他介绍,北邮有一个信息光子学与光通信国家重点实验室,其中一个研究团队,重点做的就是氧化镓材料和器件的研究。负责人是唐为华教授,他在氧化镓领域工作了11年,重点解决了材料高腐蚀性、高挥发性以及易解理、多相共生等材料生长技术难点,满足均匀性非常好的单晶材料。
张杰教授表示,该团队不仅研究氧化镓材料和器件,还对氧化镓单晶材料的制备设备进行了研究。目前在器件方面,制作出了氧化镓基日盲紫外探测器分立器件和阵列成像器件;还制作出了氧化镓基肖特基二极管,实现了950V耐压,导通电阻可达2毫欧。未来两三年会制作出氧化镓MOS器件。
结语
目前,氧化镓材料可能并不是主流市场的商用化材料,但从目前的研究来看,氧化镓材料在大功率、高效率电子器件中,在实验室里,已经展示出非常好的一些性能,所以未来在大规模应用上,氧化镓或许会有不错的应用前景,不过在此之前,还有很多问题需要解决。
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一、二、三代半导体什么区别?
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近期,阿里巴巴达摩院发布2021年十大科技趋势,“第三代半导体迎来应用大爆发”位列第一。达摩院指出,第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场。未来5年,基于第三代半导体材料的电子器件将
三星发力第三代半导体
点燃半导体业新战火。 第三代半导体主要和氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)两种材料有关,不少大厂都已先期投资数十年,近年随着苹果、小米及现代汽车等大厂陆续宣布产品采用新材料的计划,让第三代半导体成为各界焦点。 目前各大厂都运用不同
发表于 05-10 16:00
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这家公司已开始布局第四代半导体材料
有限公司(以下简称“山西烁科晶体”)实现了5G芯片衬底材料碳化硅的国产自主供应。 山西烁科晶体总经理李斌说,“通过我们整个研究院,企业之间也是能够互通有无,带动整个生态的创新。我们现在也在积极布局第四代的半导体材
第三代半导体材料有哪些 第三代半导体龙头股有哪些
看到第三代半导体,你肯定会想第一代、第二代是什么。这里的 “代际”,是根据半导体制造材料来划分的 第一代半导体材料主要有锗Ge,硅Si等,应用范围主要是:低压、低频,中功率晶体管、光电探测器等取代了
2021半导体产业风向标-《第三代半导体产业发展高峰论坛》
第三代半导体材料的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍,在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。
发表于 10-11 14:35
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第三代半导体器件的测试应用
第三代半导体器件毫不夸张的讲为电源行业带来了革新,基于其高速,小体积,低功耗的特点,越来越广泛应用在消费电子及电力电子行业。下图显示了不同技术的功率器件的性能区别。可以看到,传统的Si基IGBT或者
发表于 12-29 17:11
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第四代半导体材料氧化镓的优势与发展进程
电子发烧友网报道(文/程文智)这几年GaN和SiC等第三代半导体器件的商用化进展还不错,GaN器件在快充上开始大规模应用,SiC器件也在汽车上崭露头角。现在大家对第三代半导体器件的前景非常看好,很多企业也一头扎入了
第三代半导体市场小?只是现在产量小而已,而且是有原因的
电子发烧友网报道(文/程文智)不久前,有朋友分享一篇文章,说第三代半导体的市场很小,无法跟硅基半导体相比。看过文章之后,其实他说的是目前及未来几年第三代半导体的产量很小。作为一个新兴技术,刚开始产量
第三代半导体“蓝海”市场,对我们是挑战还是机遇?
伴随着物联网、新能源和人工智能的发展,对半导体器件的需求日益增长,对相关器件可靠性与性能指标的要求也更加严苛,于是第三代半导体市场应运而生。近年国内的第三代半导体产业发展如火如荼,同时对高压、高电流
如何化解第三代半导体的应用痛点
【导读】在集成电路和分立器件领域,硅始终是应用最广泛、技术最成熟的半导体材料,但硅材料技术的成熟恰恰意味着难以突破瓶颈。为了打破固有屏障,半导体产业进一步深入对新材料、新工艺、新架构的探索。凭借着在功率、射频应用中的显著性能优势,第三代半导体
国内第三代半导体产业成为行业风口
半导体列入国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项;与此同时,在地方政策方面,北京、深圳、江苏、成都、厦门、泉州、芜湖等均已发布或正在研究推动第三代半导体产业发展的扶持政策。
什么是第四代半导体?
第四代半导体我们其实叫超禁带半导体,它分两个方向,一是超窄禁带,禁带宽度(指被束缚的价电子产生本征激发所需要的最小能量)在零点几电子伏特(eV),比超窄禁带更窄的材料便称为导体;
第三代半导体中的明星元器件产品
近年来,「第三代半导体」这个名词频频进入我们的视野。尤其近年来「第三代半导体」在电动车、充电桩、高功率适配器等应用中的爆发式增长,使得其越来越贴近我们的生活。
第三代半导体的特点与选型要素
第三代化合物半导体材料中,碳化硅(SiC)与方案商和中小设备终端制造商关系最大,它主要作为高功率半导体材料应用于电源,汽车以及工业电力电子,在大功率转换应用中具有巨大的优势。
第三代半导体材料有哪些
第三代半导体材料有哪些 第三代半导体材料: 氨化家、碳化硅、氧化锌、氧化铝和金刚石。 从半导体材料的三项重要参数看,第三代半导体材料在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上
发表于 02-07 14:06
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第三半导体是什么?第三代半导体和半导体的区别
第三代半导体是一种新型的半导体材料,它可以提供更高的功率密度、更低的功耗和更高的效率。它们可以用于制造更小、更轻、更高效的电子元件,从而提高电子设备的性能。
发表于 02-16 15:29
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日企市场份额占比超9成,国内第四代半导体材料加速突破
电子发烧友网报道(文/梁浩斌)最近国内关于第四代半导体的消息很多,特别是在材料制备方面似乎有不少新突破。我们熟知的碳化硅、氮化镓等第三代半导体又被称为宽禁带半导体,而第四代半导体的其中一个重要特征
中国领跑第四代半导体材料,氧化镓专利居全球首位
发展到以氮化镓、碳化硅为代表的第三代以及以氧化镓、氮化铝为代表的第四代半导体。目前以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体器件正发展得如火如荼,在商业化道路上高歌猛进。 与此同时,第四代半导体材料的研究也频频取得
干货 | 第三代半导体器件可靠性检测知多少?
第三代半导体具有广泛的应用,已成为战略物资,被美国列入301管制清单。检测是提高半导体器件质量与可靠性的重要保障,广电计量作为国有检测机构,在我国第三代半导体发展过程中,秉承国企担当,为光电子、电力电子、微波射频等第三代半导体三大应用
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