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性能强过碳化硅!第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码
2020.09.30 15:02 科创板日报 何律衡

《科创板日报》(上海,研究员 何律衡)讯,近期,以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波科技股回暖的热潮,引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时,在该领域走在全球前列的日本,却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道,日本经济产业省(METI)正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持,METI将为明年留出大约2030万美元的资金,预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

近年来,随着自动驾驶和电动汽车等汽车技术的不断发展,能够在极端环境下控制电流的功率半导体技术开始受到人们的关注。

在此基础上,第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构,且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点,被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中,碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛,前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性,已在新能源汽车的电源管理中有所应用,后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性,在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED(发光二极管)基板、深紫外光(Deep Ultra Violet)受光素子等,在近十年才被应用于功率半导体方向,继而引发全球研发的热潮。

研究表明,氧化镓的禁带宽度为4.9eV,超过碳化硅、氮化镓等材料,采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件;击穿场强高于碳化硅和氮化硅,目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm,是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出,氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用,其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器,如电动汽车和光伏太阳能系统。

不过,氧化镓的导热率低,散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为,如若未来氧化镓的散热问题被攻克,氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道,今年4月,美国纽约州立大学布法罗分校(the University at Buffalo)正在研发一款基于氧化镓的晶体管,能够承受8000V以上的电压,而且只有一张纸那么薄,将用于制造更小、更高效的电子系统,用在电动汽车、机车和飞机上,用于控制和转换电子,同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外,从全球范围来看,日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家,同样具备竞争优势。METI认为,日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和汽车供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料,每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上,日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手,”该行业的一位专家向媒体表示,“一旦氧化镓成功商业化,将适用于许多领域,因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国,尽管起步较晚,但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道,在去年举行的全国科技活动周上,北京镓族科技公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外,中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶,其宽度接近100mm,总长度达到250mm,可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试,晶体具有很好的结晶质量,将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

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