《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一文盡知第三代寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用及相關(guān)收購事件

2016-12-01

 第三代寬禁帶半導(dǎo)

  寬禁帶半導(dǎo)體(WBS)是自第一代元素半導(dǎo)體材料(Si)和第二代化合物半導(dǎo)體材料(GaAs,、GaP、InP等)之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料,禁帶寬度大于2eV,這類材料主要包括SiC(碳化硅)、C-BN(立方氮化硼),、GaN(氮化鎵、)AlN(氮化鋁)、ZnSe(硒化鋅)以及金剛石等,。

  發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN,其中SiC的發(fā)展更早一些,,碳化硅SiC,、氮化鎵GaN、硅Si以及砷化鎵GaAs的一些參數(shù)如下圖所示:

  一文盡知第三代寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用及相關(guān)收購事件

  寬禁帶半導(dǎo)體材料(第一代~第三代)的重要參數(shù)對(duì)比

  SiC和GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs,,相應(yīng)的本征載流子濃度小于Si和GaAs,,寬禁帶半導(dǎo)體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體材料,。擊穿場強(qiáng)和飽和熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)大于Si和GaAs,。

  第三代寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用

  根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況,其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明,、電力電子器件,、激光器探測器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域,,每個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同,。在前沿研究領(lǐng)域,寬禁帶半導(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段,。

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  第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域

  半導(dǎo)體照明

  藍(lán)光LED在用襯底材料來劃分技術(shù)路線,。GaN基半導(dǎo)體,襯底材料的選擇就只剩下藍(lán)寶石((Al2O3),、SiC,、Si、GaN以及AlN,。后兩者產(chǎn)業(yè)化為時(shí)尚遠(yuǎn),,我們討論下前三者??偟膩碚f,,三種材料各有千秋,。藍(lán)寶石應(yīng)用最廣,成本較低,,不過導(dǎo)電性差,、熱導(dǎo)率低;單晶硅襯底尺寸最大,、成本最低,,但先天巨大的晶格失配與熱失配;碳化硅性能優(yōu)越,,但襯底本身的制備技術(shù)拉后腿,。

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  LED三種襯底

  全球LED襯底市場分析:普萊西、晶能光電和三星主要使用硅襯底,,但是技術(shù)起步晚,,目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,市場占有率低,;Cree公司主要采用碳化硅襯底,,但是由于其成本問題,加上專利壟斷,,幾乎沒有其他企業(yè)涉足,。中村修二領(lǐng)導(dǎo)的Soraa公司據(jù)知正在采用氮化鎵(GaN)襯底,這是良好的LED襯底材料,,但是比藍(lán)寶石更昂貴,,并且生產(chǎn)尺寸也受到限制,也不能夠被大量采用,。因此,,藍(lán)寶石襯底得以迅速發(fā)展,占據(jù)主流市場,。

  根據(jù)IHS最新研究情報(bào)顯示,,在2015年全球96.3%的LED生產(chǎn)均采用藍(lán)寶石襯底,預(yù)計(jì)到2020年該數(shù)據(jù)將會(huì)上升到96.7%,。2015年主要得益于價(jià)格下跌,,藍(lán)寶石應(yīng)用市場才得以提振。尤其是4英寸晶圓在2015年占據(jù)了55%的市場份額,,其中9.9%是被三星,、首爾半導(dǎo)體、晶元光電等大廠分割,;6英寸晶圓產(chǎn)能也持續(xù)增長,,主要以歐司朗,、Lumileds公司,、LG化學(xué)和科銳等廠商為首選,。

  功率器件

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  SiC和GaN商業(yè)化功率器件發(fā)展歷程

  許多公司開始研發(fā)SiC MOSFET,包括科銳(Cree)旗下Wolfspeed(被Infineon收購),、羅姆,、意法半導(dǎo)體、三菱和通用電氣,。與此相反,,進(jìn)入GaN市場中的玩家較少,起步較晚,。

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  SiC半導(dǎo)體材料及器件的發(fā)展過程

  2015年,,SiC功率半導(dǎo)體市場(包括二極管和晶體管)規(guī)模約為2億美元,到2021年,,其市場規(guī)模預(yù)計(jì)將超過5.5億美元,,這期間的復(fù)合年均增長率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。毫無懸念,,消耗大量二極管的功率因素校正(PFC)電源市場,,仍將是SiC功率半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用。

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  SiC器件市場發(fā)展趨勢

  目前市場上主要GaN產(chǎn)品是應(yīng)用于高功率密度DC/DC電源的40-200伏增強(qiáng)性高電子遷移率異質(zhì)節(jié)晶體管(HEMT)和600伏HEMT混合串聯(lián)開關(guān),,國外廠商主要有EPC,、IR、Transphorm,、Panasonic,、ExaGaN、GaN Systems等公司,。中國GaN相關(guān)企業(yè)有IDM公司中航微電子,、蘇州能訊,材料廠商中稼半導(dǎo)體,、三安光電,、杭州士蘭微等公司。

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  GaN基功率器件的發(fā)展歷程

  微波器件

  微波器件方面,,GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá),、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。在未來,,GaN微波器件有望用于4G~5G移動(dòng)通訊基站等民用領(lǐng)域,。

  市調(diào)公司預(yù)測,2016~2020年GaN射頻器件市場將擴(kuò)大至目前的2倍,,市場復(fù)合年增長率(CAGR)將達(dá)到4%,;2020年末,市場規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2.5倍。

  GaN在國防領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括IED干擾器,、軍事通訊,、雷達(dá)、電子對(duì)抗等,。GaN將在越來越多的國防產(chǎn)品中得到應(yīng)用,,充分體現(xiàn)其在提高功率、縮小體積和簡化設(shè)計(jì)方面的巨大優(yōu)勢,。

  國際上涉及GaN微波器件的主要廠商:

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  全球GaN微波器件主要廠商

  激光器和探測器

  在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域,,GaN激光器已經(jīng)成功用于藍(lán)光DVD,藍(lán)光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影,、激光3D投影等投影顯示領(lǐng)域,,藍(lán)色激光器和綠光激光器產(chǎn)值約為2億美元,如果技術(shù)瓶頸得到突破,,潛在產(chǎn)值將達(dá)到500億美元,。2014年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二認(rèn)為下一代照明技術(shù)應(yīng)該是基于GaN激光器的“激光照明”,有望將照明和顯示融合發(fā)展,。目前,,只有國外的日本日亞公司(Nichia)、和德國的歐司朗(Osram)等公司能夠提供商品化的GaN基激光器,。

  由于氮化鎵優(yōu)異的光電特性和耐輻射性能,,還可以用作高能射線探測器。GaN基紫外探測器可用于導(dǎo)彈預(yù)警,、衛(wèi)星秘密通信,、各種環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)生物探測等領(lǐng)域,,例如核輻射探測器,,X射線成像儀等,但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。

  近年來相關(guān)收購事件

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  涉及第三代半導(dǎo)體廠商相關(guān)收購事件


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