第三代半导体材料之氮化镓(GaN)

第三代半导体材料之氮化镓(GaN)

2021-11-15 12:38:01 0

第三代半导体即宽禁带半导体,以碳化硅和氮化镓为代表,具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能,切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求,是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件,已成为全球半导体技术和产业竞争焦点。

第三代半导体材料五高特性

【一】  

从能带角度看三个半导体材料时代

第三代半导体材料在大功率、高温、高频、抗辐射的微电子领域,以及短波长光电子领域,有明显优于硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等第一代和第二代半导体材料的性能。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。

第三代半导体树状图

从能带角度看,同样可以划分为三个半导体材料时代。

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。

【二】

氮化镓(GaN)材料发展潜力

氮化镓是一种宽能隙材料,它能够提供与碳化硅(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,氮化镓功率器件的成本可望压低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等价格。

氮化镓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。

由于对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长,使得半导体业重新考虑半导体所用设计和材料。随着多种更快、更小计算器件的不断涌现,硅材料已难以维持摩尔定律。由于氮化镓材料所具有的独特优势,如噪声系数优良、最大电流高、击穿电压高、振荡频率高等,为多种应用提供了独特的选择,如军事、宇航和国防、汽车领域,以及工业、太阳能、发电和风力等高功率领域。

由于氮化镓光电半导体在军事、宇航、国防和消费电子的使用,使得光电半导体成为全球氮化镓半导体器件市场的主要产品类型,并占据绝对优势地位。其中功率半导体器件将随着工业应用对大功率器件需求的增长成为未来增长速度最快的器件。

氮化镓(GaN)材料优势

对于GaN的功率器件发展而言,市场需求牵引力至关重要。从(2020年将支配市场的)电源和PFC(功率因数校正)领域,到UPS(不间断电源)和马达驱动,很多应用领域都将从GaN-on-Si功率器件的特性中受益。

市场调查公司Yole Developpement)认为,除了这些应用,2020年以后纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)也将开始采用这些新材料和新器件。市场规模方面,2020年GaN器件市场整体规模有可能达到约6亿美元。届时,一块6英寸晶圆可加工出大约58万个GaN。按照EV和HEV从2018年或2019年开始采用GaN的设想来看,GaN器件的数量将从2016年开始显着增加,一直到2020年都将以80%的年均增长率(CAGR)增长。

再随着5G技术的逐渐成熟,带给射频前端(RF Front End)晶片市场商机,未来射频功率放大器(RF PA)需求将持续成长,其中传统金属氧化半导体(Laterally Diffused metal Oxide Semiconductor,LDMOS;LDMOS具备低成本和大功率性能优势)制程逐步被氮化镓(Gallium Nitride,GaN)取代,尤其在5G技术下需要支援更多元件、更高频率,另砷化镓(GaAs)则相对稳定成长。透过导入新的射频技术,RF PA将以新的制程技术实现,其中GaN的RF PA将成为输出功率3W以上的主流制程技术,LDMOS市占率则逐渐降低。

因为5G技术涵盖毫米波频率和大规模MIMO(Multi-Input Multi-Output)天线运用,以实现5G无线整合及架构上的突破,未来如何大规模采用Massive-MIMO及毫米波(mmWave)回程系统将是发展关键。由于5G频率高,因此对于高功率、高性能、高密度的射频元件需求增加,其中氮化镓(GaN)符合其条件,即GaN市场更具有潜在商机。

5G商业化推进,加速氮化镓射频市场发展

【三】

氮化镓(GAN)是什么?

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

氮化镓(GAN)是第三代半导体材料的典型代表,在T=300K时为,是半导体照明中发光二极管的核心组成部分。氮化镓是一种人造材料,自然形成氮化镓的条件极为苛刻,需要2000多度的高温和近万个大气压的条件才能用金属镓和氮气合成为氮化镓,在自然界是不可能实现的。

大家都知道,第一代半导体材料是硅,主要解决数据运算、存储的问题;第二代半导体是以砷化镓为代表,它被应用到于光纤通讯,主要解决数据传输的问题;第三代半导体则就是以氮化镓为代表,它在电和光的转化方面性能突出,在微波信号传输方面的效率更高,所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。1998年,美国科学家研制出了首个氮化镓晶体管。

【四】

氮化镓(GAN)的性能特点

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。

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。

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。

GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底,散热性能好,有利于器件在大功率条件下工作。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入,GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化,现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

【五】

氮化镓的应用

1、新型电子器件

GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场,是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前,随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破,成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数,是制作微波器件的优先材料;GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底,散热性能好,有利于器件在大功率条件下工作。

2、光电器件

GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料,GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色 LED之后,InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaNLED相继问世。目前,Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色 LED已进入大批量生产阶段,从而填补了市场上蓝色LED多年的空白。以发光

效率为标志的LED发展历程见图3。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入,GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化,现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

1993年,Nichia公司首先研制成发光亮度超过lcd的高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED,使用掺Zn的GaInN作为有源层,外量子效率达到2.7%,峰值波长450nm,并实现产品的商品化。1995年,该公司又推出了光输出功率为2.0mW,亮度为6cd商品化GaN绿光 LED产品,其峰值波长为525nm,半峰宽为40nm。最近,该公司利用其蓝光LED和磷光技术,又推出了白光固体发光器件产品,其色温为6500K,效率达7.5流明/W。除Nichia公司以外,HP、Cree等公司相继推出了各自的高亮度蓝光LED产品。高亮度LED的市场预计将从1998年的 3.86亿美元跃升为2003年的10亿美元。高亮度LED的应用主要包括汽车照明,交通信号和室外路标,平板金色显示,高密度DVD存储,蓝绿光对潜通信等。

在成功开发Ⅲ族氮化物蓝光LED之后,研究的重点开始转向Ⅲ族氮化物蓝光LED器件的开发。蓝光LED在光控测和信息的高密度光存储等领域具有广阔的应用前景。目前Nichia公司在GaN蓝光LED领域居世界领先地位,其GaN蓝光LED室温下2mW连续工作的寿命突破10000小时。HP公司以蓝宝石为衬底,研制成功光脊波导折射率导引GaInN/AlGaN多量子阱蓝光LED。CreeResearch公司首家报道了SiC上制作的CWRT蓝光激光器,该激光器彩霞的是横向器件结构。富士通继Nichia,CreeResearch和索尼等公司之后,宣布研制成了InGaN蓝光激光器,该激光器可在室温下CW应用,其结构是在SiC衬底上生长的,并且采用了垂直传导结构(P型和n型接触分别制作在晶片的顶面和背面),这是首次报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器。

在探测器方面,已研制出GaN紫外探测器,波长为369nm,其响应速度与Si探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。GaN探测器将在火焰探测、导弹预警等方面有重要应用。

【六】

新基建加速氮化镓的发展

GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向,材料和工艺都存在许多问题有待解决,即使这些问题都得到解决,它们的价格肯定还是比硅基贵。预计到2019年,硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平。由于它们的优异特性可能主要用于中高端应用,与硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一样,SiC和GaN宽禁带电力电子器件在将来也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。SiC电力电子器件将主要用于1200V以上的高压工业应用领域;GaN电力电子器件将主要用于900V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。

GaN作为第三代半导体材料,其性质决定了将更适合4G乃至未来5G等技术的应用。从现在的市场状况来看,GaAs仍然是手机终端PA和LNA等的主流,而LDMOS则处于基站RF的霸主地位。但是,伴随着Si材料和GaAs材料在性能上逐步达到极限,我们预计GaN半导体将会越来越多的应用在无线通信领域中。

第三代半导体射频电子器件在民用和军用领域都已实现规模化应用。尤其是,由于具备高频、高功率、大带宽的性能优势,氮化镓射频电子器件和模块在5G移动通信基站建设中发挥着不可替代的作用,我国5G建设提速,将触发对氮化镓射频电子器件需求的快速增长。

放眼国际,2019年全球半导体产业整体处于低迷期,但第三代半导体技术、产品、市场、投资均呈现较高增长态势,龙头企业纷纷加强在第三代半导体领域的布局,通过调整业务领域,扩大产能供给,整合并购,增强竞争能力。相比之下,我国第三代半导体功率电子和射频电子产业处于起步阶段,已初步形成从材料、器件到应用的全产业链,但整体技术水平还落后世界顶尖水平3—5年,亟须突破材料、器件、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题。

‘新基建’提速为我国第三代半导体产业发展提供了宝贵机遇,国内市场对第三代半导体材料和器件的需求快速提升,终端应用企业也在调整供应链,扶持国内企业,此前难以进入供应链的产业链上中游产品将获得下游用户验证机会,进入多个关键厂商供应链。

《第三代半导体产业技术发展报告(2019年)》预测,2024年我国第三代半导体电力电子器件应用市场规模将近200亿元,未来5年复合增长率超过40%。

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