第三代半导体是何方神圣？

　　最近，科技部高技术部在北京召开了“十二五”期间863计划资助的“第三代半导体器件制备与评价技术”项目验收会议。通过该项目的实施，中国在碳化硅和氮化镓材料、功率器件、高性能封装和可见光通信等关键领域取得了突破。

　　我国对碳化硅、氮化镓材料及器件的研究起步较晚，与国外相比水平较低。原始创新是阻碍中国第三代半导体研究进展的重要因素。随着第三代半导体材料的关注，近年来我国半导体材料市场发展迅速。其中，碳化硅和氮化镓是主要材料。我们认为，该项目的进展表明，中国在半导体前沿材料研究方面取得了突破性进展，有利于支持中国在节能减排、现代信息工程、现代国防建设等方面的重大需求。建构。

　　考虑到当前国内的半导体产业投资基本上进入了国家主导的投资阶段，2014年大基金的成立开启了一轮国内投资半导体的热潮，无论是政府资金，还是产业资本都纷纷进入这个领域。随着碳化硅和氮化镓材料研发取得进展，我们预期，第二期大基金的布局焦点应该会向上游的原材料和设备倾斜更多的资源，尤其是涉及第三代半导体材料氮化镓和碳化硅这样的上游材料公司有机会受到资金青睐。

　　第三代半导体是何方神圣？

　　与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料是具有较大带隙(带隙宽度>2.2eV)的半导体材料。第三代半导体主要包括碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）、金刚石、氧化锌（ZnO），其中SiC和GaN较为成熟。第三代半导体材料在热导率、耐辐射性、击穿电场、电子饱和率等方面具有突出的优点，因此它们更适用于高温、高频、抗辐射场合。

　　半导体材料是半导体器件和集成电路的电子材料。1958，世界上第一个集成电路诞生于美国，从而开启了芯片时代。1965，中国自主开发了第一个集成电路。

　　自1958以来，半导体材料已逐步升级。第一代半导体材料是以硅和锗为代表的半导体半导体，用于电子设备。第二代半导体材料是以GaAs和InP为代表的化合物半导体材料。与第一代半导体材料相比，它可以发射光，但只有红光在波长以上。以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料具有广泛的应用，因为它们的发光波长几乎覆盖了所有可见光。红色、绿色和蓝色的三种原色可以传递任何颜色。从第三代半导体材料发射的蓝光是白光LED的基础。

　　第三代半导体材料将聚焦于现在和未来的三个主要领域

　　一、发光


　　二、沟通


　　三、功率转换


　　电能的变换具有广泛的用途。例如，轨道交通、新能源汽车、光伏和风电互联，以及消费类电子产品在变频空调、冰箱、手机充电器、电脑电源等半导体器件方面的需求。如果第三代半导体材料可以取代第二代半导体材料，可以使半导体器件更加强大、更有效、尺寸更小。

　　美国工程院院士FredC.LEE说过，数据中心将来会带来大量的能源消耗。如果采用第三代半导体的功率电子器件，并整体优化结构，则效率可从73％提高到87％。这相当于节省了三峡工程3.5的发电量。

　　碳化硅和氮化镓可用作电力电子器件。基于这两种材料的器件的发展有其自身的困难。碳化硅器件已被研究了较长的时间，并且该技术更成熟。目前，一些先进的汽车制造商已经在使用特斯拉等碳化硅设备。虽然手机充电器没有使用大量的GaN器件。我相信，在不久的将来，手机充电器可能具有两个特点：快速充电和高功率密度。在这一领域，氮化镓的使用可能更为明显。

　　第三代半导体的性能与应用

　　到目前为止，半导体工业经历了三个阶段。第一代半导体材料以硅（Si）为代表。第二代半导体材料GaAs（GaAs）也得到了广泛的应用。第三代半导体材料如GaN、SiC、ZnO等具有突出的性能优势，受到业界的广泛好评。第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率的特点，因此也被称为固态光源、电力电子、微波RF器件第二是光电子学和微电子学的“新引擎”。较佳的宽带隙半导体的发展主要是SiC和GaN，其中SiC发展较早。SiC、GaN、Si和GaAs的一些参数如下图所示：


　　可以看出，SiC和GaN的带隙比Si和GaAs的带隙宽得多，相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs，宽带隙半导体的最大工作温度高于第一代和第二代扫描电镜。半导体材料击穿场强和饱和热导率也远大于Si和GaAs的击穿场强。以SiC为例，它具有带隙宽、击穿电场大、导热系数高、电子饱和率高、抗辐射能力强等特点。它非常适合制作高温、高频、抗辐射和高功率器件。

　　产品被市场接受，价格和性能是最重要的考虑因素。SiC的性能是毋庸置疑的，但成本仍然高于硅产品。在相同的特性、相同的电压、相同的操作条件下，其价格将是硅产品的5-6倍。因此，在这个阶段，硅产品只能被高性能和价格不敏感的应用所替代，例如汽车和汽车充电桩。太阳能等。为取代硅产品，碳化硅仍有很大的发展空间。当SiC的成本可以降低到硅的2～3倍时，应该形成一个大的市场规模。到2020，电动车大规模投放市场时，SiC市场将会爆炸。

　　在应用中，根据第三代半导体的发展，其主要应用是半导体照明、电力电子器件、激光器和检测器以及其他四个领域，每个领域具有不同的工业成熟度，如下图所示。在研究的前沿，宽带隙半导体仍处于实验室发展阶段。

　　接下来，我们将重点研究它在电力管理中的应用。许多公司已经开始开发SiCMOSFET，包括英飞凌、Cree’sWolf.、Rohm、ST微电子公司、三菱和通用电气。相反，玩家进入GAN市场起步较晚。


　　SiC和GaN商业化电源器件的发展历史

　　SiC电力电子市场在2016正式成形，市场规模约为2亿1000万美元至2亿4000万美元。根据Yole的最新预测，到2021年，碳化硅市场将升至5.5亿美元，预计其年综合增长率将达到19%。目前，世界上有30多家公司在电力电子领域拥有碳化硅、氮化镓相关产品的生产、设计、制造和销售能力。2016，SiC在衬底材料、器件和应用方面取得了很大进展。研制了耐压20kV以上的IGBT样品。

　　功率因数校正（PFC）电力市场消耗大量二极管，将继续是SiC功率半导体的主要应用。继PFC电力市场之后，应用领域是光伏逆变器。目前，许多光伏逆变器制造商将碳化硅二极管和MOSFET应用到他们的产品上。SiC二极管的应用可以为光伏逆变器提供许多性能优势，包括提高效率、减小尺寸和重量。此外，SiC二极管可以在一定的功率范围内降低系统成本。

　　SiC器件的市场动向

　　不同国家的SiC战略

　　第三代半导体材料引起了世界范围的关注，成为半导体技术研究的前沿和产业竞争的焦点。美国、日本、欧洲等国家正在积极进行战略部署。由于电力电子器件、碳化硅器件在高端白色家电、电动汽车等低压领域的成本因素，逐渐失去了竞争力。但在高电压领域，如高速列车、风力发电和智能电网，碳化硅具有不可替代的优势。


　　SiC材料及电力电子器件的发展

　　为了抢占第三代半导体技术的战略制高点，美国和其他发达国家通过国家创新中心、合作社，将企业、大学、研究所和相关政府部门有机地联合起来。e创新中心与联合研发实现第三代半导体技术的加速进步，引领和补充。加快并抢占世界第三代半导体市场。

　　例如，NASA、DARPA等机构通过研发资金、采购订单等进行SiC、GaN研发、生产和装置开发。韩国在相关政府机构的领导下，重点制备高纯SiC粉末、高纯SiC多晶陶瓷。高纯度碳化硅多晶陶瓷，高纯SiC。研究和开发了质量SiC单晶生长和高质量SiC外延生长的4个方面。在电力设备方面，韩国还启动了一项电力电子国家项目，重点是硅基GaN和SiC。

　　在美国和其他发达国家，2016年第三代半导体材料的相关政策和措施如下。


　　来源：卡萨精加工

　　中国的现状

　　中国对SiC、GaN材料和器件的研究相对较晚，水平相对较低。原始创新是阻碍中国第三代半导体研究进展的重要因素。我国新材料领域的科研院所及相关生产企业大多急于求成，急于求利，难以忍受长期“只投入不产出”的局面。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料的革新是困难的。

　　但同时，政府也在积极推进，国家和地方政府纷纷出台政策和产业扶持基金，发展第三代半导体相关产业：2016年出台大量地方政策，福建、广东、江苏、北京、齐。北海等27个地区推出了第三代半导体相关政策（不包括LED）近30篇文章。一方面，很多地方都把第三代半导体写入了“13个五年计划”的相关规划，另一方面，许多地方政府也针对SiC和GaN材料的地方优势给予支持。福建省正计划投资500亿元建立专项核心基金，建设第三代半导体产业集群。

　　中国许多半导体厂商也在积极地销售SiC和GaN器件，其中CRC微电子和华虹红利是代表性企业。近距离收购仙通半导体，我们可以看到中国资源微电子在先进功率器件布局上的决心和强度。华晶微电子是中国资源微电子集团旗下从事半导体分立器件的高新技术企业。在中国，其功率器件的规模和品牌具有一定的优势。华虹宏利是国内第一家拥有深沟超结和场阻IGBT工艺平台的200mm发电厂。中国企业已经具备一定的规模。