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- 半導體材料的發(fā)展史及材料性能分析

2017年11月29日 14:07 網(wǎng)絡整理 作者:佚名 用戶評論(0

  一是化合物半導體的電子遷移率較硅半導體快許多,因此適用于高頻傳輸,在無線電通訊如手機、基地臺、無線區(qū)域網(wǎng)絡、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位等皆有應用;

  二是化合物半導體具有直接帶隙,這是和硅半導體所不同的,因此化合物半導體可適用發(fā)光領域,如發(fā)光二極管LED)、激光二極管(LD)、光接收器(PIN)及太陽能電池等產(chǎn)品??捎糜谥圃斐咚偌呻娐?、微波器件、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件,對國防、航天和高技術研究具有重要意義。

  目前,全球GaAs 半導體制造商市場份額最大的五家企業(yè)分別是Skyworks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋,約占全球總額的65%。而在GaAs 原材料領域,IQE、全新、Kopin 三家公司占據(jù)市場67.3%的份額。

  5半導體材料的發(fā)展史及材料性能分析

  寬禁帶半導體材料

  近年來,第三代半導體材料正憑借其優(yōu)越的性能和巨大的市場前景,成為全球半導體市場爭奪的焦點。

  所謂第三代半導體材料,主要包括SiC、GaN、金剛石等,因其禁帶寬度(Eg)大于或等于2.3電子伏特(eV),又被稱為寬禁帶半導體材料。

  當前,電子器件的使用條件越來越惡劣,要適應高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來電子器件需求,必須采用新的材料,以便最大限度地提高電子元器件的內在性能。

  和第一代、第二代半導體材料相比,第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點,可以滿足現(xiàn)代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求,是半導體材料領域有前景的材料。

  在國防、航空、航天、石油勘探、光存儲等領域有著重要應用前景,在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失,高可以使裝備體積減小75%以上,對人類科技的發(fā)展具有里程碑的意義。

  目前,由其制作的器件工作溫度可達到600 ℃以上、抗輻照1×106 rad;小柵寬GaN HEMT 器件分別在4 GHz 下,功率密度達到40 W/mm;在8 GHz,功率密度達到30 W/mm;在18 GHz,功率密度達到9.1 W/mm;在40 GHz,功率密度達到10.5 W/mm;在80.5 GHz,功率密度達到2.1 W/mm,等。因此,寬禁帶半導體技術已成為當今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型動力。

  從目前寬禁帶半導體材料和器件的研究情況來看,研究重點多集中于碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)技術,其中SiC 技術最為成熟,研究進展也較快;而GaN 技術應用廣泛,尤其在光電器件應用方面研究比較深入。氮化鋁、金剛石、氧化鋅等寬禁帶半導體技術研究報道較少,但從其材料優(yōu)越性來看,頗具發(fā)展?jié)摿?,相信隨著研究的不斷深入,其應用前景將十分廣闊。

  

  碳化硅材料

  在現(xiàn)有的寬禁帶半導體材料中,碳化硅材料是研究的最成熟的一種。

  相對于硅,碳化硅的優(yōu)點很多:有10倍的電場強度,高3倍的熱導率,寬3倍禁帶寬度,高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點,用碳化硅制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應用市場。42GHz頻率的SiC MESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統(tǒng)中,用碳化硅作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示屏的關鍵器件。

  而在應用領域,碳化硅有以下優(yōu)點:

  1.SiC材料應用在高鐵領域,可節(jié)能20%以上,并減小電力系統(tǒng)體積;

  2.SiC材料應用在新能源汽車領域,可降低能耗20%;

  3.SiC材料應用在家電領域,可節(jié)能50%;

  4.SiC材料應用在風力發(fā)電領域,可提高效率20%;

  5.SiC材料應用在太陽能領域,可降低光電轉換損失25%以上;

  6.SiC材料應用在工業(yè)電機領域,可節(jié)能30%-50%;

  7.SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領域,可使電力損失降低60%,同時供電效率提高40%以上;

  8.SiC材料應用在大數(shù)據(jù)領域,可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低;

  9.SiC材料應用在通信領域,可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性;

  10.SiC材料可使航空航天領域,可使設備的損耗減小30%-50%,工作頻率提高3倍,電感電容體積縮小3倍,散熱器重量大幅降低。

  

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