《第三代半導體氮化鎵應用場景及產(chǎn)業(yè)政策研究》4400字（論文）

第三代半導體氮化鎵應用場景及產(chǎn)業(yè)政策研究目錄TOC\o"1-2"\h\u31737引言 117400一、第三代半導體氮化鎵應用場景 229158（一）硅功率器件的困境 226319（二）GaN功率器件的優(yōu)勢 36825二、江蘇氮化鎵產(chǎn)業(yè)政策未來發(fā)展趨勢 423374（一）產(chǎn)業(yè)政策保障情況 42292（二）產(chǎn)業(yè)基礎和產(chǎn)業(yè)布局 525776三、結(jié)語：江蘇省第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議 518724參考文獻： 6摘要：常規(guī)開關電源常采用硅開關器件。硅（Si）功率器件的研制已有相當長的歷史。經(jīng)多年來不斷完善，它們的表現(xiàn)已經(jīng)接近理論極限。在開關電源日益發(fā)達的今天，要求功率器件，比如，對較高頻率的適應，轉(zhuǎn)換效率較高，功率密度較高等特點，并且硅功率器件已經(jīng)難以滿足。最近幾年，有廠家陸續(xù)推出不少系列GaN器件，其目的在于取代硅器件，從而生產(chǎn)出效率更高的開關電源。本文對第三代半導體氮化鎵的應用場景和產(chǎn)業(yè)政策進行了研究，簡介GaN優(yōu)點，并就其研究現(xiàn)狀與今后發(fā)展趨勢提出建議。關鍵詞：GaN，發(fā)展;應用場景;產(chǎn)業(yè)政策引言目前，第三代半導體產(chǎn)業(yè)應用市場呈快速增長趨勢，國際競爭同樣激烈的是美國和歐洲、口本和其他發(fā)達國家正在積極地作出戰(zhàn)略部署，通過設立創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等等途徑，把產(chǎn)學研與政府部門結(jié)合在一起，協(xié)同組織，共同投資，加速第三代半導體技術(shù)發(fā)展，利用應用端需求，推動技術(shù)研發(fā)，資金更加轉(zhuǎn)向產(chǎn)品級開發(fā)與終端應用，從而徹底搶占了世界第三代半導體市場的口一創(chuàng)。我國在第三代半導體市場需求和產(chǎn)業(yè)化水平方面處于領先地位。與國際先進水平并列的光電子材料和器件，目前我國LED照明產(chǎn)業(yè)已得到長足發(fā)展，并成為我國第三代半導體產(chǎn)業(yè)的首次突破口。但是在電力電子半導體的材料與器件中、在射頻材料及器件上達到了國際先進水平，還在跟著跑步。隨著世界半導體產(chǎn)業(yè)逐漸向亞洲遷移，我國對半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的決心與扶持是前所未有的，5G、新能源汽車，A工等新興產(chǎn)業(yè)所帶來的巨大市場空間，我國大力發(fā)展第三代半導體產(chǎn)業(yè)，正當其時。一、第三代半導體氮化鎵應用場景（一）硅功率器件的困境現(xiàn)階段絕大多數(shù)開關電源采用的開關器件是硅器件，硅是至今為止最重要的半導體材料之一，其原材容易獲得且成本較低，發(fā)展歷史源遠流長，基于Si研發(fā)的設備具有高可靠性。SiMOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）作為傳統(tǒng)的雙極晶體管的替代品，研制于1976年，在開關器件中使用最為普遍。SiMOSFET作為電壓控制元件，需要的驅(qū)動電流很小，便于驅(qū)動的同時，因其原理是利用多數(shù)載流子導電，場效應管的開關速度相對較快。也正是由于場效應晶體管的諸多優(yōu)勢，開關電源得以迅猛發(fā)展。如今，開關電源得到了越來越廣泛的應用，本申請?zhí)峁┝穗娔X電源、手機充電器、電動車充電器等、向大型服務器提供電力、通信設備電源等，在生活中已得到了廣泛應用，生產(chǎn)及其他各方面的同時，開關電源蓬勃發(fā)展，推動SiMOSFET產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步。歷經(jīng)四十年，SiMOSFET性能不斷得到開發(fā)和改進，現(xiàn)在，相同100V耐壓SiMOSFET導通電阻可減小至3mΩ或以下，與此同時，SiMOSFET品質(zhì)因數(shù)（FOM）逐漸得到了優(yōu)化，硅器件性能被優(yōu)化至接近其理論極限。甚至達到了理論極限，硅器件的改進仍未停止，例如IGBT器件，它的導通性能甚至突破了簡單垂直型多子MOSFET所能達到的理論極限，由于SiMOSFET較低的結(jié)構(gòu)成本，以及多年來研制過程中不斷累積的發(fā)展，制作硅器件等方面的經(jīng)驗，使得SiMOSFET的革新和優(yōu)化在相當長的時間內(nèi)具有了延續(xù)的潛力，但其性能的提高已經(jīng)相當有限。但是它在性能上得到了進一步改進，需要耗費的費用將不斷增加。在工業(yè)日益發(fā)達的今天，開關電源性能越來越好了，同時，對于功率功率器件有很高的需求，要求開關器件的轉(zhuǎn)換速度要高、較低的導通電阻、高過擊穿電壓、高可靠性和其他許多特點。增加工作頻率，是增大功率密度的有效途徑之一，工作頻率高等，對縮小配套元件尺寸十分有利，特別地，電感與電容之間存在體積問題。我們都知道開關電源電感與電容占很大一部分體積，由于頻率提升而導致體積減小，可顯著提高整體電源功率密度。同時增加工作頻率，減少動態(tài)反饋與調(diào)整的時間，開關電源動態(tài)特性將進一步得到優(yōu)化。但工作頻率明顯有上限，工作頻率過大會導致開關器件開關損耗劇增。由于開關器件不是理想的器件，切換時有高電流和大電壓共存的情況，也就是產(chǎn)生開關損耗。同時切換過快，易造成電路震蕩，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，對已有器件進行封裝，特別是直插為器件寄生電感較高，在某種程度上制約開關頻率，同時還會對器件高頻性能造成影響。受其限制，目前已有使用SiMOSFET器件開關電源，工作頻率通常被限制在200kHz之內(nèi)，電壓較高時，頻率可調(diào)空間將進一步被限制甚至在100kHz以下。（二）GaN功率器件的優(yōu)勢近年來出現(xiàn)的新型半導體材料，尤其第三代半導體GaN，已經(jīng)成為功率器件發(fā)展的熱點，受到越來越多的關注，一般認為可望取代已有硅器件。隨著集成電路工業(yè)技術(shù)不斷突破創(chuàng)新，新一代移動終端應用日益廣泛，第三代半導體產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的歷史機遇。這些優(yōu)異的性能使得它們在未來功率電子器件領域具有十分重要的應用前景。與第一代半導體Si相比，GaN材料電子遷移率較高、較大的臨界擊穿電場、電子飽和速度大，禁帶寬度大等多種優(yōu)點。同時，GaN和AlGaN在界面處可形成異質(zhì)結(jié)繼而，界面上形成了高濃度的二維電子氣溝（2DEG），這一性質(zhì)為各種材料所少有，這一特點具有很大優(yōu)點。另外GaN材料還有很多特有的優(yōu)點，并且許多的優(yōu)點使得GaN材料適合高溫、高壓、高頻、用于高功率，成為新一代電力電子中的首選產(chǎn)品。表1.1三代半導體材料的主要物理化學性質(zhì)的比較半導體材料SiGaAsGaN4H-SiC禁帶寬度(eV)(300K)1.121.433.453.26相對介電常數(shù)11.812.5910臨界電場強度(mV/cm)0.30.63.32.0平均電離能(eV)3.64.88.9--飽和漂移速度(X107cm/s)123.32電子遷移率(c耐/V·s)1500850012501140熔點(0℃)1420123817002830熱導率(W/cm·K)(300K)1.50.462.24.5圖1-1Si、SiC和GaN理論極限由表1.1和圖1-1不難發(fā)現(xiàn)GaN材料有很多優(yōu)良特性：（1）GaN的帶隙是Si的三倍，GaN的擊穿場強為3.3×106V/cm，是Si的（3×105V/cm）的12倍，確保GaNHEMT器件具有高壓應用功能。（2）GaNHEMT器件在運行中能夠確保即有超高的擊穿電壓，同時導通電阻也最小，這就決定了該裝置有非常大的功率特性，GaNHEMT能達到高于Si數(shù)十倍功率輸出密度，因而易于達到較高功率要求。同等功率需求時，器件所產(chǎn)生熱量較少，減少對散熱系統(tǒng)要求。（3）GaN較大的禁帶寬度，同時能使器件處于高溫狀態(tài)，減少了對系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的需求。與此同時，GaN材料也擁有較大的介電常數(shù)，較低的高頻噪聲和較強的抗腐蝕能力的優(yōu)點。GaN材料的使用環(huán)境要求有所下降，并且增加可靠性。結(jié)合上述分析，不難發(fā)現(xiàn)GaN具有高頻，低阻、耐壓等性能會很適合開關電源的使用。用GaN開關器件構(gòu)造開關電源，會達到很高的開關頻率，進而達到較小的尺寸和較大的功率密度。隨著GaN開關器件的不斷成熟，在：智能武器中會得到廣泛的應用、電子對抗系統(tǒng)，航空、太陽能發(fā)電逆變器等、消費電子市場等等。二、江蘇氮化鎵產(chǎn)業(yè)政策未來發(fā)展趨勢（一）產(chǎn)業(yè)政策保障情況江蘇省科委從2014年開始，每年拿出3000萬～5000萬元專項資金，用于第三代半導體相關材料研發(fā)、器件設計與工藝開發(fā)、封裝材料與工藝開發(fā)、芯片及模塊測試等方面，對推動江蘇省第三代半導體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了積極的作用。在江蘇順義區(qū)，政府除安排針對科技類企業(yè)的普惠性鼓勵政策之外，還每年安排不低于20億元的專項資金，聚焦智能新能源汽車、航空航天、第三代半導體材料等三大產(chǎn)業(yè)集群，突出對科技創(chuàng)新平臺、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化平臺、科技成果轉(zhuǎn)化平臺等平臺支持；突出對科技型小微企業(yè)、國家及江蘇省在順義布局的重點科研項目進行支持。大力實施人才引進工程，引進和聚集千人計劃、海歸人才、創(chuàng)業(yè)團隊等各類人才，實現(xiàn)創(chuàng)新鏈、資金鏈、產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合。（二）產(chǎn)業(yè)基礎和產(chǎn)業(yè)布局江蘇聚集了中科院半導體所、微電子所、物理所等有關院所，擁有國內(nèi)第三代半導體領域三分之一以上的科技資源，研發(fā)實力居于國內(nèi)領先，研發(fā)水平整體與國外發(fā)達國家同步，大功率LED外延片、超低熱阻LED芯片等器件的多項技術(shù)指標處于國際一流水平。同時，江蘇聚集了世紀金光公司、天科合達公司、泰科天潤公司等相關生產(chǎn)制造企業(yè)，中國電力科學研究院、中興江蘇研究所、精進電動科技公司等下游用戶單位，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了6英寸碳化硅晶圓的小批量制備和二極管等碳化硅相關器件的規(guī)?；a(chǎn)，初步形成碳化硅材料及器件的研發(fā)、生產(chǎn)，應用等各環(huán)節(jié)相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈，為未來大力發(fā)展第三代半導體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、建設國家第三代半導體重大創(chuàng)新基地建設奠定了較好的基礎。三、結(jié)語：江蘇省第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議第三代半導體做為一種戰(zhàn)略性的先進電子材料，它技術(shù)難度大，國外對我技術(shù)封鎖。面向國家第三代半導體產(chǎn)業(yè)，我們提出以下意見。（1）理清差距，著力碳化硅產(chǎn)業(yè)。從材料環(huán)節(jié)看，最快突破大尺寸桎梏、高性能單晶襯底產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究等等；半導體設備制造環(huán)節(jié)，加快關鍵裝備國產(chǎn)化步伐，提高國產(chǎn)器件生產(chǎn)水平，解決好自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品研制問題。芯片設計與工藝環(huán)節(jié)等，盡早為碳化硅MOSFET開辟道路、氮化鎵HEMT等芯片設計及工藝實現(xiàn)技術(shù)，解決可靠性關鍵技術(shù)，解決了相關的驅(qū)動與應用系統(tǒng)的模擬的關鍵技術(shù)；封裝與測試環(huán)節(jié)，及早破解高溫、高壓、高頻難題、高功率密度等場合的封裝工藝、技巧、解決高壓、大電流、高頻，例如，材料問題，高溫等條件下，測試芯片和模塊，解決技術(shù)難題。（2）政府的主導作用和合力的形成。第三代半導體產(chǎn)業(yè)的開發(fā)，是一項規(guī)模宏大的系統(tǒng)工程，提出通過發(fā)揮政府作用，挖掘并匯聚國內(nèi)有限科技力量，在材料，芯片，封測和應用等領域組建第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、設備的各個環(huán)節(jié)，形成上，中，下游密切銜接，共同發(fā)展的局面、進行快速迭代驗證。達到由企業(yè)技術(shù)引進的目的、由政府牽頭進行關鍵技術(shù)合作開發(fā)，對隨后的企業(yè)自主開發(fā)的進程。（3）鼓勵民營，外資和其他多種經(jīng)濟形式企業(yè)投資。目前半導體產(chǎn)業(yè)民間投資呈現(xiàn)了較好的發(fā)展勢頭，但是更加注重芯片的設計環(huán)節(jié)，要鼓勵各經(jīng)濟實體對半導體制造業(yè)進行投資，鼓勵第三代半導體專用材料和器件生產(chǎn)線的開發(fā)，尤其在半導體行業(yè)具有豐富經(jīng)驗的大企業(yè)集團，讓其具備進入上述領域的條件，并且憑借自身經(jīng)濟實力求生存，求發(fā)展。（4）最大程度地發(fā)揮海外成熟技術(shù)與人才的優(yōu)勢。通過海外設立研發(fā)中心、海外并購或者海外引進人才等途徑，在短期內(nèi)迅速提高技術(shù)整合與自主開發(fā)的能力。美國，日本在技術(shù)上比較發(fā)達，但是封鎖是比較嚴格的，特別是中國，并購企業(yè)基本上是不可行，提出以人才，技術(shù)引進為主，或通過在本地設立研發(fā)中心等途徑獲取資源。歐洲，俄羅斯等國家的科技也是比較發(fā)達，可考慮通過尋求中小規(guī)模材料或者器件企業(yè)的全面并購或者團隊的全面引進來取得合作。參考文獻：[1]顧瑾栩,張倩,盧曉威.北京第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路的研究[J].集成電路應用,2019,36(5):6.[2]任永碩.基于GaNHEMT功率開關器件的250W電腦電源研制[D].大連理工大學,