各國(guó)第三代半導(dǎo)體材料研發(fā)部署重點(diǎn)及方向分析
文章來源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2013-10-14
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GaN的發(fā)展過程與功率密度息息相關(guān),。從1970年到2000年,，每經(jīng)過10年左右電源的大小就會(huì)減小到原來的1/40，功率密度按照指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),。但在2000年以后,，以硅為原料的器件已經(jīng)發(fā)展到了其極限點(diǎn)。為了進(jìn)一步的發(fā)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(jìn)入LED市場(chǎng),，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(jìn)入微波器件市場(chǎng),，為無(wú)線通訊領(lǐng)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(zhǎng)足的進(jìn)步,，GaN進(jìn)入功率器件市場(chǎng)�,？傮w而言,，照明產(chǎn)品，GaN應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)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(jù)美國(guó)能源部對(duì)其LED市場(chǎng)所做出的總結(jié),，從2010年到2012年，照明方案,，LED的光電效率增長(zhǎng)了50%,，LED照明企業(yè)，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(jìn)入通用照明領(lǐng)域,，在美國(guó)的市面上可以很方便地買到led燈,，設(shè)計(jì)，人們?cè)诩彝ブ惺褂肔ED成為新的趨勢(shì),。
美國(guó)與第三代半導(dǎo)體的研究與發(fā)展相關(guān)的項(xiàng)目主要包括：美國(guó)的EERE(Energy Efficient & Renewable Energy)項(xiàng)目,，其重點(diǎn)在于降低成本。已完成的項(xiàng)目包括：Veeco公司通過多反應(yīng)系統(tǒng)提升LED器件產(chǎn)量項(xiàng)目,，KLA-Tencor公司通過監(jiān)察系統(tǒng)提升LED產(chǎn)量及減小資源浪費(fèi)項(xiàng)目,，Ultratech公司通過調(diào)整光刻工具以降低高亮度LED生產(chǎn)成本項(xiàng)目等。2013年EERE新啟動(dòng)的LED和OLED項(xiàng)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(dǎo)體整合式燈具生產(chǎn)制造,，Philips Lumileds照明公司藍(lán)寶石基底InGaN/GaN LED的研發(fā)與工業(yè)化,，OLEDWorks公司Oled照明創(chuàng)新型低成本,、高效能生產(chǎn)與處理技術(shù)，恒光電器,照亮您的生活,，PPG Industries公司OLED集成基底生產(chǎn)工藝等,。
DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)2009年推出NEXT(Nitride Electronic Next-Generation Technology)項(xiàng)目，目的在于進(jìn)行氮化物開關(guān)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(fā)方向是高壓,、高速度,、高電流。項(xiàng)目?jī)?nèi)容具體包括：將電力開關(guān)器件提升至200V阻塞電壓,、電阻降至1 ohm-m,、轉(zhuǎn)換速度達(dá)到500V/nsec;通過NJTT(Near Junction Thermal Transport)技術(shù)將GaN在SiC基底生長(zhǎng)的工藝與鉆石基底相結(jié)合，以產(chǎn)生新的熱處理流程;通過生產(chǎn)4寸SiC基底GaN晶片實(shí)現(xiàn)28V MMIC(Monolithic Microwave Integrate Circuit)的大批量生產(chǎn),，使得GaN的產(chǎn)量提高300%以上,，同時(shí)MMIC的成本降低至25%以下;GaN產(chǎn)品在40V、200℃的條件下MTTF(平均失效時(shí)間)達(dá)到1000萬(wàn)小時(shí)以上,，質(zhì)量,，在225℃條件下，MTTF達(dá)到100萬(wàn)小時(shí)以上,。
美國(guó)能源部最新推出的NNMI(National Network for Manufacturing Innovation)項(xiàng)目是一個(gè)由研究機(jī)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò),，由總統(tǒng)奧巴馬直接牽頭，旨在促進(jìn)全美的生產(chǎn)制造創(chuàng)新與發(fā)展,，將研究和生產(chǎn)結(jié)合,，填補(bǔ)其間的空白，讓制造業(yè)回歸美國(guó),。其中,，最主要的三家研究機(jī)構(gòu)均側(cè)重于WBG(寬禁帶)半導(dǎo)體電力電子器件的制造;多學(xué)科中心側(cè)重于GaN/SiC基底電力電子及LED照明組件與系統(tǒng)的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)。該計(jì)劃特別強(qiáng)調(diào)了6英寸和8英寸生產(chǎn)線,，二者可能會(huì)由于300mm生產(chǎn)線的使用和發(fā)展或國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致低產(chǎn),。NNMI項(xiàng)目每年投入1400萬(wàn)美元，投資持續(xù)5年,，采用50%成本分擔(dān)制,，每年僅有一家公司可獲得項(xiàng)目投資。
此外,，美國(guó)國(guó)防部推動(dòng)了GaN在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用,。目前GaN的可靠性、可生產(chǎn)性已經(jīng)可以完全取代砷化鎵(GaAs),，尤其是在高能量應(yīng)用中,。GaN與GaAs相比在能量密度上有很大的優(yōu)勢(shì),，能夠?qū)崿F(xiàn)高輸出與高頻率，在更小的體積中實(shí)現(xiàn)更高的能量,。在電子掃描陣列雷達(dá)中,，在使用GaN的條件下，照明方案,，照明方案，在同樣的區(qū)域內(nèi)GaN掃描達(dá)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(zhì)量,，雷達(dá)可以在體積縮減到一半的情況下實(shí)現(xiàn)更高的掃描效率。
美國(guó)在第三代半導(dǎo)體技術(shù)與研發(fā)方面的發(fā)展進(jìn)步主要用于支持新一代AESA(Active Electronically Scanned Array)雷達(dá),、新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)和商業(yè)應(yīng)用,。
美國(guó)能源部對(duì)于WBG半導(dǎo)體的發(fā)展目標(biāo)為：體積更小、速度更快,、效率更高,。具體包括：實(shí)現(xiàn)較高的功率轉(zhuǎn)換及照明效率;提升在高電壓及高溫下的運(yùn)作能力;達(dá)到更高的頻率。其所面臨的挑戰(zhàn)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(wěn)定性方面如何耐受更高的電壓,、更強(qiáng)的電流和更高的溫度;在系統(tǒng)集成方面,，如何在布線、測(cè)試,、封裝等方面均實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性提高,。WBG半導(dǎo)體的應(yīng)用主要包括：工業(yè)電機(jī)方面，主要包括高效率變速傳動(dòng)裝置等;電子設(shè)備方面,，恒光電器,，主要包括數(shù)據(jù)中心、通信電源,、家用電子產(chǎn)品等;電網(wǎng)整合方面,，恒光電器，主要包括太陽(yáng)能和風(fēng)力渦輪機(jī)等;實(shí)用工具方面,，主要包括減小變壓器體積等;以及電動(dòng)車和混合驅(qū)動(dòng)機(jī)車,、軍事、地?zé)峒罢彰鞯绕渌矫妗?/p>
日本在過去的兩年中發(fā)展方向有所轉(zhuǎn)變,，很多公司轉(zhuǎn)向成為專門生產(chǎn)GaN的企業(yè),。發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因主要包括：600V-1200V功率器件已成為規(guī)模最大的市場(chǎng)，而GaN在這一區(qū)間內(nèi)有著十分優(yōu)異的表現(xiàn);在SiC基底上生長(zhǎng)GaN技術(shù)的進(jìn)步使得GaN功率器件的成本大幅度降低;企業(yè)只需通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行調(diào)整便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型和升級(jí),。
在未來,，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)主要具備以下幾方面特征：半導(dǎo)體照明將側(cè)重于降低成本和向更廣闊的市場(chǎng)拓展;由國(guó)防推動(dòng)的射頻領(lǐng)域應(yīng)用需要更高的功率密度以實(shí)現(xiàn)降低成本;功率應(yīng)用有著最大的增長(zhǎng)潛力,，例如，600V及以上的器件需求量潛力較大,，但其研發(fā)仍需攻關(guān),。