第三代宽禁带半导体应用简析

 

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：

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

 

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。

 

 

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：

 

 

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。