【上海国际电力元件展览会】第三代半导体材料之氮化镓（GaN）解析

上海国际电力元件、可再生能源管理展览会新展期定于2020年11月16-18日在上海世博展览馆举行，邀您关注今日上海国际电力元件展览会新资讯：

        半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

        相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，其中半导体材料市场的60％都是芯片制造材料，以硅晶圆和光掩膜为主，此外还有湿化学试剂、溅射靶等。但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长。

        一开始，日本是世界最大的半导体材料市场，随后中国台湾、韩国等地区也逐渐开始崛起，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。

        第三代半导体材料崛起

        如今，半导体材料已经发展到第三代，逐代来看：第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体材料为代表。其典型应用是集成电路，主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中，在未来一段时间，硅半导体材料的主导地位仍将存在。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用，如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率。且其带隙宽度较窄（1．12 eV）饱和电子迁移率较低（1450 cm2／V·s），不利于研制高频和高功率电子器件。

        第二代半导体材料以砷化镓和磷化铟（InP）为代表。砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍，具有直接带隙，故其器件相对硅器件具有高频、高速的光电性能，公认为是很合适的通信用半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。然而，其禁带宽度范围仅涵盖了1．35 eV（InP）～2．45 eV（AlP），只能覆盖波长506～918 nm的红光和更长波长的光，而无法满足中短波长光电器件的需要。由于第二代半导体材料的禁带宽度不够大，击穿电场较低，极大的限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外由于GaAs材料的毒性可能引起环境污染问题，对人类健康存在潜在的威胁。

        第三代半导体材料是指Ⅲ族氮化物（如氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）等）、碳化硅、氧化物半导体（如氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga2O3）、钙钛矿（CaTiO3）等）和金刚石等宽禁带半导体材料。与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下更为可靠，此外还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

        对比于第一代硅（Si）、锗（Ge）半导体，第二代、第三代半导体的主要优势在于：

        1）禁带宽度较大，所制造的器件可耐受较大功率，且工作温度更高；

        2）电子迁移率高，适合高频、高速器件；

        3）光电转换效率高，适合制作光电器件。

        5G时代，氮化镓（GaN）成为发展重点

        第三代半导体材料正在成为抢占下一代信息技术、节能减排技术及国防安全技术的战略制高点，是战略性新兴产业的重要组成部分。

        随着当前5G技术的成熟，GaN材料开始展现出无与伦比的发展潜力。它是一种宽能隙材料，能够提供与碳化硅（SiC）相似的性能优势，但降低成本的可能性却更大。业界认为，在未来数年间，GaN功率器件的成本可望压低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等价格。

        GaN性能特点：

        1、高性能，主要包括高输出功率、高功率密度、高工作带宽、高效率、体积小、重量轻等。目前第一代和第二代半导体材料在输出功率方面已经达到了极限，而GaN半导体由于在热稳定性能方面的优势，很容易就实现高工作脉宽和高工作比，将天线单元级的发射功率提高10倍；

        2、高可靠性，功率器件的寿命与其温度密切相关，温结越高，寿命越低。GaN材料具有高温结和高热传导率等特性，极大地提高了器件在不同温度下的适应性和可靠性。GaN器件可以用在650°C以上的军用装备中；

        3、低成本，GaN半导体的应用，能够有效改善发射天线的设计，减少发射组件的数目和放大器的级数等，有效降低成本。目前GaN已经开始取代GaAs作为新型雷达和干扰机的T／R（收／发）模块电子器件材料。美军下一代的AMDR（固态有源相控阵雷达）便采用了GaN半导体。氮化镓禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，使得它成为迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，并可以成为制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件的关键基础材料。

        采用氮化镓材料制备的电力电子器件具有更高的工作电压、更高的开关频率、更低的导通电阻等优势，并可与成本极低、技术成熟度极高的硅基半导体集成电路工艺相兼容，在新一代高效率、小尺寸的电力转换与管理系统、电动机车、工业电机等领域具有巨大的发展潜力。

        氮化镓产业链各环节龙头企业一览

        GaN 代工：三安光电；

        电源驱动芯片：圣邦股份、富满电子；

        协议芯片：瑞芯微、全志科技；

        平面变压器、共模电感：顺络电子

        Type C 连接器：立讯精密、长盈精密、电连技术；

        充电器代工：领益智造；

        射频芯片设计：卓胜微；

        毫米波 T／R 芯片模组：和而泰；

        功率半导体：斯达半导、扬杰科技、捷捷微电、士兰微、台基股份、华微电子、苏州固锝；

        半导体设备：北方华创；

        12 寸大硅片：中环股份；

        硅片衍生设备：晶盛机电。

文章来源：OFweek电子工程网

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