全球第三代半导体材料研发部署重点及方向分析

在首届第三代半导体材料及应用发展国际研讨会上，Transphorm公司的技术营销高级经理黄赞先生对第三代半导体材料各国研发部署重点及方向进行了主题报告，系统阐述了美国、日本等国的第三代半导体材料研发相关项目、进展及发展趋势等问题。
　　GaN的发展过程与功率密度息息相关。从1970年到2000年，每经过10年左右电源的大小就会减小到原来的1/40，功率密度按照指数级增长。但在2000年以后，以硅为原料的器件已经发展到了其极限点。为了进一步的发展，则必然要采用新型的材料，即氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)。
　　1993年起GaN正式进入LED市场，获得了很大的成功。在其功率密度又提升了10倍之后，GaN进入微波器件市场，为无线通讯领域带来了一次变革。在过去的几年中，其功率密度再次得到长足的进步，GaN进入功率器件市场。总体而言，GaN应用的发展趋势为功率密度不断提升，可靠性不断提升，成本不断下降。
　　根据美国能源部对其LED市场所做出的总结，从2010年到2012年，LED的光电效率增长了50%，而2010年至2011年，光电成本下降了70%。由于效率的提升和成本的下降，LED进入通用照明领域，在美国的市面上可以很方便地买到LED灯，人们在家庭中使用LED成为新的趋势。
　　美国与第三代半导体的研究与发展相关的项目主要包括：美国的EERE(Energy Efficient & Renewable Energy)项目，其重点在于降低成本。已完成的项目包括：Veeco公司通过多反应系统提升LED器件产量项目，KLA-Tencor公司通过监察系统提升LED产量及减小资源浪费项目，Ultratech公司通过调整光刻工具以降低高亮度LED生产成本项目等。2013年EERE新启动的LED和OLED项目包括：Cree公司低成本、高效率LED可伸缩灯具，Eaton公司低成本、高能效半导体整合式灯具生产制造，Philips Lumileds照明公司蓝宝石基底InGaN/GaN LED的研发与工业化，OLEDWorks公司OLED照明创新型低成本、高效能生产与处理技术，PPG Industries公司OLED集成基底生产工艺等。
　　DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)2009年推出NEXT(Nitride Electronic Next-Generation Technology)项目，目的在于进行氮化物开关的研究，开发方向是高压、高速度、高电流。项目内容具体包括：将电力开关器件提升至200V阻塞电压、电阻降至1 ohm-m、转换速度达到500V/nsec；通过NJTT(Near Junction Thermal Transport)技术将GaN在SiC基底生长的工艺与钻石基底相结合，以产生新的热处理流程；通过生产4寸SiC基底GaN晶片实现28V MMIC(Monolithic Microwave Integrate Circuit)的大批量生产，使得GaN的产量提高300%以上，同时MMIC的成本降低至25%以下；GaN产品在40V、200℃的条件下MTTF(平均失效时间)达到1000万小时以上，在225℃条件下，MTTF达到100万小时以上。
　　美国能源部最新推出的NNMI(National Network for Manufacturing Innovation)项目是一个由研究机构组成的网络，由总统奥巴马直接牵头，旨在促进全美的生产制造创新与发展，将研究和生产结合，填补其间的空白，让制造业回归美国。其中，最主要的三家研究机构均侧重于WBG(宽禁带)半导体电力电子器件的制造；多学科中心侧重于GaN/SiC基底电力电子及LED照明组件与系统的生产和设计。该计划特别强调了6英寸和8英寸生产线，二者可能会由于300mm生产线的使用和发展或国外竞争而导致低产。NNMI项目每年投入1400万美元，投资持续5年，采用50%成本分担制，每年仅有一家公司可获得项目投资。
　　此外，美国国防部推动了GaN在射频领域的应用。目前GaN的可靠性、可生产性已经可以完全取代砷化镓(GaAs)，尤其是在高能量应用中。GaN与GaAs相比在能量密度上有很大的优势，能够实现高输出与高频率，在更小的体积中实现更高的能量。在电子扫描阵列雷达中，在使用GaN的条件下，在同样的区域内GaN扫描达到GaAs 速度的5倍，或者在同样的速度下，其扫描面积比GaAS大50%。在使用GaN的情况下，雷达可以在体积缩减到一半的情况下实现更高的扫描效率。
　　美国在第三代半导体技术与研发方面的发展进步主要用于支持新一代AESA(Active Electronically Scanned Array)雷达、新型电子战系统和商业应用。
　　美国能源部对于WBG半导体的发展目标为：体积更小、速度更快、效率更高。具体包括：实现较高的功率转换及照明效率；提升在高电压及高温下的运作能力；达到更高的频率。其所面临的挑战主要包括：在成本方面如何让更大尺寸的晶片降低成本；在稳定性方面如何耐受更高的电压、更强的电流和更高的温度；在系统集成方面，如何在布线、测试、封装等方面均实现系统性提高。WBG半导体的应用主要包括：工业电机方面，主要包括高效率变速传动装置等；电子设备方面，主要包括数据中心、通信电源、家用电子产品等；电网整合方面，主要包括太阳能和风力涡轮机等；实用工具方面，主要包括减小变压器体积等；以及电动车和混合驱动机车、军事、地热及照明等其它方面。
　　日本在过去的两年中发展方向有所转变，很多公司转向成为专门生产GaN的企业。发生转变的原因主要包括：600V-1200V功率器件已成为规模最大的市场，而GaN在这一区间内有着十分优异的表现；在SiC基底上生长GaN技术的进步使得GaN功率器件的成本大幅度降低；企业只需通过对现有设备进行调整便可实现生产的转型和升级。
　　在未来，第三代半导体的发展趋势主要具备以下几方面特征：半导体照明将侧重于降低成本和向更广阔的市场拓展；由国防推动的射频领域应用需要更高的功率密度以实现降低成本；功率应用有着最大的增长潜力，例如，600V及以上的器件需求量潜力较大，但其研发仍需攻关。

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