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5G技术与第三代半导体材料与工艺简述

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5G技术与第三代半导体材料与工艺简述

发布日期:2019-05-13 作者: 点击:

        材料、信息、能源构筑的当代文明社会,缺一不可。半导体不仅具有极其丰富的物理内涵,而且其性能可以置于不断发展的精密工艺控制之下,可谓是“最有料”的材料。在不久的将来,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料的应用,无论是在军用领域还是在民用市场,都是世界各国争夺的战略阵地。


      目前的半导体材料已经发展到第三代。第一代半导体材料主要以硅(Si)、锗(Ge)为主,20世纪50年代,Ge在半导体中占主导地位,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但是Ge半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,到60年代后期逐渐被Si器件取代。用Si材料制造的半导体器件,耐高温和抗辐射性能较好。Si储量极其丰富,提纯与结晶方便,二氧化硅(SiO2)薄膜的纯度很高,绝缘性能很好,这使器件的稳定性与可靠性大为提高,因此Si已经成为应用最广的一种半导体材料。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。在21世纪,它的主导和核心地位仍不会动摇。但是Si材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。


       20世纪90年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,能污染环境,InP甚至被认为是可疑致癌物质,这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。


   第三代半导体材料 


         随着5G、云端计算、工业4.0及新能源车等之日益蓬勃,人们对高效率电力电子产品之需求更是殷切。以碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)为首的第三代半导体材料因具高温、高压、高功率、高频及抗幅射等特性,广泛应用于各式发光及电子电力元件。

  

  SiC在光电领域方面可实现全彩显示,在家电、新能源车及太阳能等应用上则具节能与提高效率等效果;GaN除可协助改善汽车传感器之性能外,在快速充电、高亮度LED及5G无线基地台等领域之应用上亦具明显竞争优势。

  

  市调机构YoleDeveloppment指出,由于采用SiCMOSFET模组的特斯拉Model3产能增加,SiC市场成长快速,2023年全球市场规模约15亿美元左右,复合年增率29%。

  

  GaN市场则受惠于Apple考虑将GaN技术作为智慧型手机之无线充电解决方案,2017∼2023年GaN应用于电源市场之复合年增率将高达93%;另随5G之即将蓬勃,2023年射频GaN市场规模将倍增至13亿美元左右,复合年增率22.9%。

  

  大陆发展第三代半导体产业缘自2013年科技部「863计划」将之列为战略发展产业,2016堪称是大陆的第三代半导体产业元年,除国务院国家新产业发展领导小组于当年将第三代半导体材料列为重点发展方向外,福建等27个地区近30条的相关政策也陆续推出。

  

  同年6月25日,福建省政府、国家集成电路大基金及三安光电等共同揭牌成立安芯基金以建立第三代半导体产业聚落,基金目标规模500亿元人民币(下同),首期出资75.1亿元。2017年工信部、国家发改委公布的「信息产业发展指南」,更将第三代半导体材料列为积体电路产业发展重点。

  

  2018年3月,深圳市政府大力支持的第三代半导体研究院正式启动,位于北京顺义7.1万平方公尺的第三代半导体材料创新基地,亦于同年12月底正式完工。

  

  根据统计,2018下半年起大陆有超过8个第三代半导体项目落实,除北大、清华及中科院仿生技术研究所等14个单位联合成立氮化物半导体材料研究计画外,更有重庆捷舜科技的50亿GaN设厂计画、中科院的20亿SiC一体化项目,以及山东天岳晶体的30亿SiC材料厂等项目。

  

  另外,三安光电在2018年底宣布完成商业版本的6吋SiC晶圆制程,耐威科技的8吋GaN-on-Si外延晶圆也预计于2019年第二季开始量产出货。

  

  大陆的镓产量占全球70%以上,面向5G、新能源汽车及智能电网等电子电力产品之蓬勃发展,挟5G技术领先及全球新能源汽车最大产销重镇等优势,大陆积极摆脱第一代及第二代半导体跟跑窘境,换道超车领跑第三代半导体产业的企图心不容小觑。


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