各國第三代半導體材料研發部署重點及方向分析

文章來源:恒光電器

發布時間:2013-10-14

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  GaN的發展過程與功率密度息息相關。從1970年到2000年，每經過10年左右電源的大小就會減小到原來的1/40，功率密度按照指數級增長。但在2000年以后，以硅為原料的器件已經發展到了其極限點。為了進一步的發展，則必然要采用新型的材料，即氮化鎵(GaN)和碳化硅(Sic)。

        1993年起GaN正式進入LED市場，獲得了很大的成功。在其功率密度又提升了10倍之后，LED照明工程，GaN進入微波器件市場，為無線通訊領域帶來了一次變革。在過去的幾年中，其功率密度再次得到長足的進步，GaN進入功率器件市場。總體而言，照明產品，GaN應用的發展趨勢為功率密度不斷提升，可靠性不斷提升，LED球泡燈，成本不斷下降。

        根據美國能源部對其LED市場所做出的總結，從2010年到2012年，照明方案，LED的光電效率增長了50%，LED照明企業，而2010年至2011年，光電成本下降了70%。由于效率的提升和成本的下降，LED進入通用照明領域，在美國的市面上可以很方便地買到led燈，設計，人們在家庭中使用LED成為新的趨勢。

        美國與第三代半導體的研究與發展相關的項目主要包括：美國的EERE(Energy Efficient & Renewable Energy)項目，其重點在于降低成本。已完成的項目包括：Veeco公司通過多反應系統提升LED器件產量項目，KLA-Tencor公司通過監察系統提升LED產量及減小資源浪費項目，Ultratech公司通過調整光刻工具以降低高亮度LED生產成本項目等。2013年EERE新啟動的LED和OLED項目包括：Cree公司低成本、高效率LED可伸縮燈具，Eaton公司低成本、高能效半導體整合式燈具生產制造，Philips Lumileds照明公司藍寶石基底InGaN/GaN LED的研發與工業化，OLEDWorks公司Oled照明創新型低成本、高效能生產與處理技術，恒光電器,照亮您的生活，PPG Industries公司OLED集成基底生產工藝等。

        DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)2009年推出NEXT(Nitride Electronic Next-Generation Technology)項目，目的在于進行氮化物開關的研究，恒光電器,照亮您的生活，恒光電器,照亮您的生活，開發方向是高壓、高速度、高電流。項目內容具體包括：將電力開關器件提升至200V阻塞電壓、電阻降至1 ohm-m、轉換速度達到500V/nsec;通過NJTT(Near Junction Thermal Transport)技術將GaN在SiC基底生長的工藝與鉆石基底相結合，以產生新的熱處理流程;通過生產4寸SiC基底GaN晶片實現28V MMIC(Monolithic Microwave Integrate Circuit)的大批量生產，使得GaN的產量提高300%以上，同時MMIC的成本降低至25%以下;GaN產品在40V、200℃的條件下MTTF(平均失效時間)達到1000萬小時以上，質量，在225℃條件下，MTTF達到100萬小時以上。

        美國能源部最新推出的NNMI(National Network for Manufacturing Innovation)項目是一個由研究機構組成的網絡，由總統奧巴馬直接牽頭，旨在促進全美的生產制造創新與發展，將研究和生產結合，填補其間的空白，讓制造業回歸美國。其中，最主要的三家研究機構均側重于WBG(寬禁帶)半導體電力電子器件的制造;多學科中心側重于GaN/SiC基底電力電子及LED照明組件與系統的生產和設計。該計劃特別強調了6英寸和8英寸生產線，二者可能會由于300mm生產線的使用和發展或國外競爭而導致低產。NNMI項目每年投入1400萬美元，投資持續5年，采用50%成本分擔制，每年僅有一家公司可獲得項目投資。

        此外，美國國防部推動了GaN在射頻領域的應用。目前GaN的可靠性、可生產性已經可以完全取代砷化鎵(GaAs)，尤其是在高能量應用中。GaN與GaAs相比在能量密度上有很大的優勢，能夠實現高輸出與高頻率，在更小的體積中實現更高的能量。在電子掃描陣列雷達中，在使用GaN的條件下，照明方案，照明方案，在同樣的區域內GaN掃描達到GaAs 速度的5倍，或者在同樣的速度下，其掃描面積比GaAS大50%。在使用GaN的情況下，質量，雷達可以在體積縮減到一半的情況下實現更高的掃描效率。

        美國在第三代半導體技術與研發方面的發展進步主要用于支持新一代AESA(Active Electronically Scanned Array)雷達、新型電子戰系統和商業應用。

        美國能源部對于WBG半導體的發展目標為：體積更小、速度更快、效率更高。具體包括：實現較高的功率轉換及照明效率;提升在高電壓及高溫下的運作能力;達到更高的頻率。其所面臨的挑戰主要包括：在成本方面如何讓更大尺寸的晶片降低成本;在穩定性方面如何耐受更高的電壓、更強的電流和更高的溫度;在系統集成方面，如何在布線、測試、封裝等方面均實現系統性提高。WBG半導體的應用主要包括：工業電機方面，主要包括高效率變速傳動裝置等;電子設備方面，恒光電器，主要包括數據中心、通信電源、家用電子產品等;電網整合方面，恒光電器，主要包括太陽能和風力渦輪機等;實用工具方面，主要包括減小變壓器體積等;以及電動車和混合驅動機車、軍事、地熱及照明等其它方面。

        日本在過去的兩年中發展方向有所轉變，很多公司轉向成為專門生產GaN的企業。發生轉變的原因主要包括：600V-1200V功率器件已成為規模最大的市場，而GaN在這一區間內有著十分優異的表現;在SiC基底上生長GaN技術的進步使得GaN功率器件的成本大幅度降低;企業只需通過對現有設備進行調整便可實現生產的轉型和升級。

        在未來，第三代半導體的發展趨勢主要具備以下幾方面特征：半導體照明將側重于降低成本和向更廣闊的市場拓展;由國防推動的射頻領域應用需要更高的功率密度以實現降低成本;功率應用有著最大的增長潛力，例如，600V及以上的器件需求量潛力較大，但其研發仍需攻關。