第一情报 ---信息产业

第三代半导体技术发展现状

供稿人:杜渐  供稿时间:2019-11-9   关键字:第三代半导体  GaN  SiC  

国际上一般把禁带宽度(Eg)大于或等于 2.3 电子伏特(eV)的半导体材料称之为第三代半导体材料,常见的第三代半导体材料包括:碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石、氧化锌、氮化铝等。其中,从SiC和GaN技术发展相对成熟,已经开始产业化应用,而金刚石、氧化锌、氮化铝等材料尚处于研发起步阶段。与硅(Si)、锗(Ge)等第一代半导体材料,及砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等特点,其器件具有高频、大功率、低损耗、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优势,可以被广泛应用于半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器固态光源、射频器件等领域,是支持5G移动通信、新能源汽车、高速列车、光伏、风电、智慧电网、国防安全等创新发展的关键核心材料和器件。由于第三代半导体材料及其制作的各种器件的优越性能,其已成为全球半导体技术研究前沿和各国产业竞争的新焦点,如:美国提出电力美国(Power America),欧盟提出“5G GaN2”等研究计划,英国组建化合物半导体应用创新中心等,促进第三代半导体材料及器件研发。当前,全球第三代半导体尚处于产业发展起步阶段,据CCID数据,2018年全球第三代半导体材料市场规模为4.19亿美元,同比增长42.6%,未来5-10年,随着内新能源汽车、5G等推广,全球对第三代半导体的应用需求将更加迫切,产业将进入加速发展阶段。我国在第三代半导体研发、产业领域有一定的基础,总体与国际领先水平差距不大,未来,第三代半导体也将成为我国半导体产业提升的重要突破口。

表:第三代半导体材料与硅材料的性能对比

第三代半导体技术发展现状及态势

1、技术现状

衬底、外延方面,SiC同质外延和Si基GaN异质外延作为应用最广泛的两种第三代半导体材料,目前商业化的最大尺寸为6英寸,为进一步降低器件成本,业界已经研发出8英寸产品。

器件方面,商业化的SiC肖特基二极管目前最高耐压为3300V,最高工作温度(100-190℃)下电流在60A以下;商业化的SiC MOSFET目前最高耐压为1700V,最高工作温度(100-160℃)下电流在65A 以下;商业化的Si基GaN HEMT最高电压为650V,室温下(25℃)最大电流为120A。商业化的RF GaN HEMT工作频率达到25GHz,最大功率实现1800W。

2、关键技术问题

(1)大尺寸、低缺陷衬底、外延制备技术

研发大直径衬底、外延,降低器件的成本,如:6英寸衬底相对4英寸衬底能够节省大约30%的器件制备成本。目前,SIC衬底、GaN衬底,6英寸已成为新建产能的重点,8英寸也在加速推进试生产。

随着衬底尺寸的增加往往会伴随结晶质量的下降,进而会影响后序制备器件的性能及其可靠性。如何在增加衬底尺寸的同时,控制结晶缺陷密度是一个关键问题。潜在解决方案:改善大尺寸外延生长热场分布与流场分布,控制外延初期界面形貌。

(2)硅基GaN外延技术

由于GaN同质衬底或SiC衬底价格昂贵,而Si衬底具有大尺寸、低成本的优势,因此在Si衬底上实现GaN功率器件产业化已成为技术发展重要方向。当前,GaN外延的Si衬底尺寸正逐步由6英寸向8英寸扩展;同时,在掌握外延漏电机理以及对器件动态性能影响机理的情况下,在减小外延厚度的基础上不断提高外延质量,比如650V产品的外延厚度由目前常用的5μm减薄至3μm。

(3)高质量SiC 厚外延技术

SiC的应用优势在于高压、超高压器件,目前600V、1200V、1700V SiC器件已商业化,预期未来3300V、6500V级,乃至万伏级以上的应用需求将快速提升,从而对SiC厚外延晶片产生重大需求,为了获得厚外延晶片,快速外延生长技术将成为技术发展的主流。

(4)高可靠封装技术

封装模块在器件和系统之间扮演着重要的角色。当前,第三代半导体器件的封装技术和模块形式基本与硅基一致。但是,随着第三代半导体器件的日益普及和广泛应用,第三代半导体封装和模块将向着低损耗、低感量、高功率密度、高散热性能、高集成度、多功能等方向发展,未来将衍生出与硅基封装技术和产品形式不同的发展路线。如:基板材料,有机基板还是应用主流,但比重会逐步下降;绝缘金属基板、陶瓷基板等适用于大功率、大电流、高电压的基板,应用会逐渐增多。封装形式会逐渐由二维平面封装逐渐向三维立体封装发展,相应的三维封装工艺也会取得较大的发展。

参考文献:

1、ccid, 2017-2018年中国化合物半导体市场发展研究年度报告

2、白春杰等,探讨电子科学技术中的半导体材料发展趋势,科学与信息化,2019.3

3、CASA,第三代半导体报告2018

4、Grand  View  Research,Silicon Carbide Market Analysis and Segment Forecast to 2020

5、mordorintelligence,GLOBAL SEMICONDUCTOR MATERIALS MARKET REPORT


注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)