新興電子行業(yè)與第三代半導(dǎo)體材料及工藝
瀏覽次數(shù)：891次 發(fā)布日期：2020-07-14
材料、信息、能源構(gòu)筑的當(dāng)代文明社會，缺一不可。半導(dǎo)體不僅具有極其豐富的物理內(nèi)涵，而且其性能可以置于不斷發(fā)展的精密工藝控制之下，可謂是“最有料”的材料。在不久的將來，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，無論是在軍用領(lǐng)域還是在民用市場，都是世界各國爭奪的戰(zhàn)略陣地。
目前的半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代半導(dǎo)體材料主要以硅（Si）、鍺（Ge）為主，20世紀50年代，Ge在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但是Ge半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被Si器件取代。用Si材料制造的半導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻射性能較好。Si儲量極其豐富，提純與結(jié)晶方便，二氧化硅（SiO2）薄膜的純度很高，絕緣性能很好，這使器件的穩(wěn)定性與可靠性大為提高，因此Si已經(jīng)成為應(yīng)用最廣的一種半導(dǎo)體材料。目前95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都是由Si材料制作。在21世紀，它的主導(dǎo)和核心地位仍不會動搖。但是Si材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應(yīng)用。
20世紀90年代以來，隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，能污染環(huán)境，InP甚至被認為是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性。
第三代半導(dǎo)體材料
隨著5G、云端計算、工業(yè)4.0及新能源車等之日益蓬勃，人們對高效率電力電子產(chǎn)品之需求更是殷切。以碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）為首的第三代半導(dǎo)體材料因具高溫、高壓、高功率、高頻及抗幅射等特性，廣泛應(yīng)用于各式發(fā)光及電子電力元件。
SiC在光電領(lǐng)域方面可實現(xiàn)全彩顯示，在家電、新能源車及太陽能等應(yīng)用上則具節(jié)能與提高效率等效果；GaN除可協(xié)助改善汽車傳感器之性能外，在快速充電、高亮度LED及5G無線基地臺等領(lǐng)域之應(yīng)用上亦具明顯競爭優(yōu)勢。
市調(diào)機構(gòu)YoleDeveloppment指出，由于采用SiCMOSFET模組的特斯拉Model3產(chǎn)能增加，SiC市場成長快速，2023年全球市場規(guī)模約15億美元左右，復(fù)合年增率29％。
GaN市場則受惠于Apple考慮將GaN技術(shù)作為智慧型手機之無線充電解決方案，2017～2023年GaN應(yīng)用于電源市場之復(fù)合年增率將高達93％；另隨5G之即將蓬勃，2023年射頻GaN市場規(guī)模將倍增至13億美元左右，復(fù)合年增率22.9％。
大陸發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)緣自2013年科技部「863計劃」將之列為戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)，2016堪稱是大陸的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)元年，除國務(wù)院國家新產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組于當(dāng)年將第三代半導(dǎo)體材料列為重點發(fā)展方向外，福建等27個地區(qū)近30條的相關(guān)政策也陸續(xù)推出。
同年6月25日，福建省政府、國家集成電路大基金及三安光電等共同揭牌成立安芯基金以建立第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聚落，基金目標規(guī)模500億元人民幣（下同），首期出資75.1億元。2017年工信部、國家發(fā)改委公布的「信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南」，更將第三代半導(dǎo)體材料列為積體電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點。
2018年3月，深圳市政府大力支持的第三代半導(dǎo)體研究院正式啟動，位于北京順義7.1萬平方公尺的第三代半導(dǎo)體材料創(chuàng)新基地，亦于同年12月底正式完工。
根據(jù)統(tǒng)計，2018下半年起大陸有超過8個第三代半導(dǎo)體項目落實，除北大、清華及中科院仿生技術(shù)研究所等14個單位聯(lián)合成立氮化物半導(dǎo)體材料研究計畫外，更有重慶捷舜科技的50億GaN設(shè)廠計畫、中科院的20億SiC一體化項目，以及山東天岳晶體的30億SiC材料廠等項目。
另外，三安光電在2018年底宣布完成商業(yè)版本的6吋SiC晶圓制程，耐威科技的8吋GaN-on-Si外延晶圓也預(yù)計于2019年第二季開始量產(chǎn)出貨。
大陸的鎵產(chǎn)量占全球70％以上，面向5G、新能源汽車及智能電網(wǎng)等電子電力產(chǎn)品之蓬勃發(fā)展，挾5G技術(shù)領(lǐng)先及全球新能源汽車最大產(chǎn)銷重鎮(zhèn)等優(yōu)勢，大陸積極擺脫第一代及第二代半導(dǎo)體跟跑窘境，換道超車領(lǐng)跑第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的企圖心不容小覷。
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