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第三代宽禁带半导体应用简析

2016年11月30日 物联应用 ⁄ 阅读 780 次
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第三代宽禁带半导体

宽禁带半导体(WBS)是自第一代元素半导体材料(Si)和第二代化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP等)之后发展起来的第三代半导体材料,禁带宽度大于2eV,这类材料主要包括SiC(碳化硅)、C-BN(立方氮化硼)、GaN(氮化镓、)AlN(氮化铝)、ZnSe(硒化锌)以及金刚石等。

发展较好的宽禁带半导体主要是SiC和GaN,其中SiC的发展更早一些,碳化硅SiC、氮化镓GaN、硅Si以及砷化镓GaAs的一些参数如下图所示:111

宽禁带半导体材料(第一代~第三代)的重要参数对比

SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs,相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs,宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于Si和GaAs。

第三代宽禁带半导体应用

根据第三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。在前沿研究领域,宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

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第三代宽禁带半导体材料应用领域

半导体照明

蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。GaN基半导体,衬底材料的选择就只剩下蓝宝石((Al2O3)、SiC、Si、GaN以及AlN。后两者产业化为时尚远,我们讨论下前三者。总的来说,三种材料各有千秋。蓝宝石应用最广,成本较低,不过导电性差、热导率低;单晶硅衬底尺寸最大、成本最低,但先天巨大的晶格失配与热失配;碳化硅性能优越,但衬底本身的制备技术拉后腿。

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LED三种衬底

全球LED衬底市场分析,普莱西、晶能光电和三星主要使用硅衬底,但是技术起步晚,目前产业规模较小,市场占有率低;Cree公司主要采用碳化硅衬底,但是由于其成本问题,加上专利垄断,几乎没有其他企业涉足。中村修二领导的Soraa公司据知正在采用氮化镓(GaN)衬底,这是良好的LED衬底材料,但是比蓝宝石更昂贵,并且生产尺寸也受到限制,也不能够被大量采用。因此,蓝宝石衬底得以迅速发展,占据主流市场。

根据iHS最新研究情报显示,在2015年全球96.3%的LED生产均采用蓝宝石衬底,预计到2020年该数据将会上升到96.7%。2015年主要得益于价格下跌,蓝宝石应用市场才得以提振。尤其是4英寸晶圆在2015年占据了55%的市场份额,其中9.9%是被三星、首尔半导体、晶元光电等大厂分割;6英寸晶圆产能也持续增长,主要以欧司朗、Lumileds公司、LG化学和科锐等厂商为首选。

功率器件

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SiC和GaN商业化功率器件发展历程

许多公司开始研发SiC MOSFET,包括科锐(Cree)旗下Wolfspeed(被Infineon收购)、罗姆、意法半导体、三菱和通用电气。与此相反,进入GaN市场中的玩家较少,起步较晚。

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SiC半导体材料及器件的发展过程

2015年,SiC功率半导体市场(包括二极管和晶体管)规模约为2亿美元,到2021年,其市场规模预计将超过5.5亿美元,这期间的复合年均增长率预计将达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。

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SiC器件市场发展趋势,来源:Yole

目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管(HEMT)和600伏HEMT混合串联开关,国外厂商主要有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,材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。

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GaN基功率器件的发展历程

微波器件

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。

市调公司Yole预测,2016~2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。

GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

国际上涉及GaN微波器件的主要厂商:

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全球GaN微波器件主要厂商,来源:SITRI整理

激光器和探测器

在激光器和探测器应用领域,GaN激光器已经成功用于蓝光DVD,蓝光和绿色的激光将来巨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,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代照明技术应该是基于GaN激光器的“激光照明”,有望将照明和显示融合发展。目前,只有国外的日本日亚公司(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性和耐辐射性能,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、卫星秘密通信、各种环境监测、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。

近年来相关收购事件

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涉及第三代半导体厂商相关收购事件,来源:SITRI整理

(本文由SITRI产业研究原创,转载请注明出处)

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