[導讀]在首屆第三代半導體材料及應用發(fā)展國際研討會上，Transphorm公司的技術營銷高級經(jīng)理黃贊先生對第三代半導體材料各國研發(fā)部署重點及方向進行了主題報告，系統(tǒng)闡述了美國、日本等國的第三代半導體材料研發(fā)相關項目、進
在首屆第三代半導體材料及應用發(fā)展國際研討會上，Transphorm公司的技術營銷高級經(jīng)理黃贊先生對第三代半導體材料各國研發(fā)部署重點及方向進行了主題報告，系統(tǒng)闡述了美國、日本等國的第三代半導體材料研發(fā)相關項目、進展及發(fā)展趨勢等問題。
GaN的發(fā)展過程與功率密度息息相關。從1970年到2000年，每經(jīng)過10年左右電源的大小就會減小到原來的1/40，功率密度按照指數(shù)級增長。但在2000年以后，以硅為原料的器件已經(jīng)發(fā)展到了其極限點。為了進一步的發(fā)展，則必然要采用新型的材料，即氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。
1993年起GaN正式進入LED市場，獲得了很大的成功。在其功率密度又提升了10倍之后，GaN進入微波器件市場，為無線通訊領域帶來了一次變革。在過去的幾年中，其功率密度再次得到長足的進步，GaN進入功率器件市場。總體而言，GaN應用的發(fā)展趨勢為功率密度不斷提升，可靠性不斷提升，成本不斷下降。
根據(jù)美國能源部對其LED市場所做出的總結，從2010年到2012年，LED的光電效率增長了50%，而2010年至2011年，光電成本下降了70%。由于效率的提升和成本的下降，LED進入通用照明領域，在美國的市面上可以很方便地買到LED燈，人們在家庭中使用LED成為新的趨勢。
美國與第三代半導體的研究與發(fā)展相關的項目主要包括：美國的EERE(EnergyEfficient&RenewableEnergy)項目，其重點在于降低成本。已完成的項目包括：Veeco公司通過多反應系統(tǒng)提升LED器件產(chǎn)量項目，KLA-Tencor公司通過監(jiān)察系統(tǒng)提升LED產(chǎn)量及減小資源浪費項目，Ultratech公司通過調整光刻工具以降低高亮度LED生產(chǎn)成本項目等。2013年EERE新啟動的LED和OLED項目包括：Cree公司低成本、高效率LED可伸縮燈具，Eaton公司低成本、高能效半導體整合式燈具生產(chǎn)制造，PhilipsLumileds照明公司藍寶石基底InGaN/GaNLED的研發(fā)與工業(yè)化，OLEDWorks公司OLED照明創(chuàng)新型低成本、高效能生產(chǎn)與處理技術，PPGIndustries公司OLED集成基底生產(chǎn)工藝等。
DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)2009年推出NEXT(NitrideElectronicNext-GenerationTechnology)項目，目的在于進行氮化物開關的研究，開發(fā)方向是高壓、高速度、高電流。項目內容具體包括：將電力開關器件提升至200V阻塞電壓、電阻降至1ohm-m、轉換速度達到500V/nsec；通過NJTT(NearJunctionThermalTransport)技術將GaN在SiC基底生長的工藝與鉆石基底相結合，以產(chǎn)生新的熱處理流程；通過生產(chǎn)4寸SiC基底GaN晶片實現(xiàn)28VMMIC(MonolithicMicrowaveIntegrateCircuit)的大批量生產(chǎn)，使得GaN的產(chǎn)量提高300%以上，同時MMIC的成本降低至25%以下；GaN產(chǎn)品在40V、200℃的條件下MTTF(平均失效時間)達到1000萬小時以上，在225℃條件下，MTTF達到100萬小時以上。
美國能源部最新推出的NNMI(NationalNetworkforManufacturingInnovation)項目是一個由研究機構組成的網(wǎng)絡，由總統(tǒng)奧巴馬直接牽頭，旨在促進全美的生產(chǎn)制造創(chuàng)新與發(fā)展，將研究和生產(chǎn)結合，填補其間的空白，讓制造業(yè)回歸美國。其中，最主要的三家研究機構均側重于WBG(寬禁帶)半導體電力電子器件的制造；多學科中心側重于GaN/SiC基底電力電子及LED照明組件與系統(tǒng)的生產(chǎn)和設計。該計劃特別強調了6英寸和8英寸生產(chǎn)線，二者可能會由于300mm生產(chǎn)線的使用和發(fā)展或國外競爭而導致低產(chǎn)。NNMI項目每年投入1400萬美元，投資持續(xù)5年，采用50%成本分擔制，每年僅有一家公司可獲得項目投資。
此外，美國國防部推動了GaN在射頻領域的應用。目前GaN的可靠性、可生產(chǎn)性已經(jīng)可以完全取代砷化鎵(GaAs)，尤其是在高能量應用中。GaN與GaAs相比在能量密度上有很大的優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)高輸出與高頻率，在更小的體積中實現(xiàn)更高的能量。在電子掃描陣列雷達中，在使用GaN的條件下，在同樣的區(qū)域內GaN掃描達到GaAs速度的5倍，或者在同樣的速度下，其掃描面積比GaAS大50%。在使用GaN的情況下，雷達可以在體積縮減到一半的情況下實現(xiàn)更高的掃描效率。
美國在第三代半導體技術與研發(fā)方面的發(fā)展進步主要用于支持新一代AESA(ActiveElectronicallyScannedArray)雷達、新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)和商業(yè)應用。
美國能源部對于WBG半導體的發(fā)展目標為：體積更小、速度更快、效率更高。具體包括：實現(xiàn)較高的功率轉換及照明效率；提升在高電壓及高溫下的運作能力；達到更高的頻率。其所面臨的挑戰(zhàn)主要包括：在成本方面如何讓更大尺寸的晶片降低成本；在穩(wěn)定性方面如何耐受更高的電壓、更強的電流和更高的溫度；在系統(tǒng)集成方面，如何在布線、測試、封裝等方面均實現(xiàn)系統(tǒng)性提高。WBG半導體的應用主要包括：工業(yè)電機方面，主要包括高效率變速傳動裝置等；電子設備方面，主要包括數(shù)據(jù)中心、通信電源、家用電子產(chǎn)品等；電網(wǎng)整合方面，主要包括太陽能和風力渦輪機等；實用工具方面，主要包括減小變壓器體積等；以及電動車和混合驅動機車、軍事、地熱及照明等其它方面。
日本在過去的兩年中發(fā)展方向有所轉變，很多公司轉向成為專門生產(chǎn)GaN的企業(yè)。發(fā)生轉變的原因主要包括：600V-1200V功率器件已成為規(guī)模最大的市場，而GaN在這一區(qū)間內有著十分優(yōu)異的表現(xiàn)；在SiC基底上生長GaN技術的進步使得GaN功率器件的成本大幅度降低；企業(yè)只需通過對現(xiàn)有設備進行調整便可實現(xiàn)生產(chǎn)的轉型和升級。
在未來，第三代半導體的發(fā)展趨勢主要具備以下幾方面特征：半導體照明將側重于降低成本和向更廣闊的市場拓展；由國防推動的射頻領域應用需要更高的功率密度以實現(xiàn)降低成本；功率應用有著最大的增長潛力，例如，600V及以上的器件需求量潛力較大，但其研發(fā)仍需攻關。
GaN的發(fā)展過程與功率密度息息相關。從1970年到2000年，每經(jīng)過10年左右電源的大小就會減小到原來的1/40，功率密度按照指數(shù)級增長。但在2000年以后，以硅為原料的器件已經(jīng)發(fā)展到了其極限點。為了進一步的發(fā)展，則必然要采用新型的材料，即氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。
1993年起GaN正式進入LED市場，獲得了很大的成功。在其功率密度又提升了10倍之后，GaN進入微波器件市場，為無線通訊領域帶來了一次變革。在過去的幾年中，其功率密度再次得到長足的進步，GaN進入功率器件市場。總體而言，GaN應用的發(fā)展趨勢為功率密度不斷提升，可靠性不斷提升，成本不斷下降。
根據(jù)美國能源部對其LED市場所做出的總結，從2010年到2012年，LED的光電效率增長了50%，而2010年至2011年，光電成本下降了70%。由于效率的提升和成本的下降，LED進入通用照明領域，在美國的市面上可以很方便地買到LED燈，人們在家庭中使用LED成為新的趨勢。
美國與第三代半導體的研究與發(fā)展相關的項目主要包括：美國的EERE(EnergyEfficient&RenewableEnergy)項目，其重點在于降低成本。已完成的項目包括：Veeco公司通過多反應系統(tǒng)提升LED器件產(chǎn)量項目，KLA-Tencor公司通過監(jiān)察系統(tǒng)提升LED產(chǎn)量及減小資源浪費項目，Ultratech公司通過調整光刻工具以降低高亮度LED生產(chǎn)成本項目等。2013年EERE新啟動的LED和OLED項目包括：Cree公司低成本、高效率LED可伸縮燈具，Eaton公司低成本、高能效半導體整合式燈具生產(chǎn)制造，PhilipsLumileds照明公司藍寶石基底InGaN/GaNLED的研發(fā)與工業(yè)化，OLEDWorks公司OLED照明創(chuàng)新型低成本、高效能生產(chǎn)與處理技術，PPGIndustries公司OLED集成基底生產(chǎn)工藝等。
DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)2009年推出NEXT(NitrideElectronicNext-GenerationTechnology)項目，目的在于進行氮化物開關的研究，開發(fā)方向是高壓、高速度、高電流。項目內容具體包括：將電力開關器件提升至200V阻塞電壓、電阻降至1ohm-m、轉換速度達到500V/nsec；通過NJTT(NearJunctionThermalTransport)技術將GaN在SiC基底生長的工藝與鉆石基底相結合，以產(chǎn)生新的熱處理流程；通過生產(chǎn)4寸SiC基底GaN晶片實現(xiàn)28VMMIC(MonolithicMicrowaveIntegrateCircuit)的大批量生產(chǎn)，使得GaN的產(chǎn)量提高300%以上，同時MMIC的成本降低至25%以下；GaN產(chǎn)品在40V、200℃的條件下MTTF(平均失效時間)達到1000萬小時以上，在225℃條件下，MTTF達到100萬小時以上。
美國能源部最新推出的NNMI(NationalNetworkforManufacturingInnovation)項目是一個由研究機構組成的網(wǎng)絡，由總統(tǒng)奧巴馬直接牽頭，旨在促進全美的生產(chǎn)制造創(chuàng)新與發(fā)展，將研究和生產(chǎn)結合，填補其間的空白，讓制造業(yè)回歸美國。其中，最主要的三家研究機構均側重于WBG(寬禁帶)半導體電力電子器件的制造；多學科中心側重于GaN/SiC基底電力電子及LED照明組件與系統(tǒng)的生產(chǎn)和設計。該計劃特別強調了6英寸和8英寸生產(chǎn)線，二者可能會由于300mm生產(chǎn)線的使用和發(fā)展或國外競爭而導致低產(chǎn)。NNMI項目每年投入1400萬美元，投資持續(xù)5年，采用50%成本分擔制，每年僅有一家公司可獲得項目投資。
此外，美國國防部推動了GaN在射頻領域的應用。目前GaN的可靠性、可生產(chǎn)性已經(jīng)可以完全取代砷化鎵(GaAs)，尤其是在高能量應用中。GaN與GaAs相比在能量密度上有很大的優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)高輸出與高頻率，在更小的體積中實現(xiàn)更高的能量。在電子掃描陣列雷達中，在使用GaN的條件下，在同樣的區(qū)域內GaN掃描達到GaAs速度的5倍，或者在同樣的速度下，其掃描面積比GaAS大50%。在使用GaN的情況下，雷達可以在體積縮減到一半的情況下實現(xiàn)更高的掃描效率。
美國在第三代半導體技術與研發(fā)方面的發(fā)展進步主要用于支持新一代AESA(ActiveElectronicallyScannedArray)雷達、新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)和商業(yè)應用。
美國能源部對于WBG半導體的發(fā)展目標為：體積更小、速度更快、效率更高。具體包括：實現(xiàn)較高的功率轉換及照明效率；提升在高電壓及高溫下的運作能力；達到更高的頻率。其所面臨的挑戰(zhàn)主要包括：在成本方面如何讓更大尺寸的晶片降低成本；在穩(wěn)定性方面如何耐受更高的電壓、更強的電流和更高的溫度；在系統(tǒng)集成方面，如何在布線、測試、封裝等方面均實現(xiàn)系統(tǒng)性提高。WBG半導體的應用主要包括：工業(yè)電機方面，主要包括高效率變速傳動裝置等；電子設備方面，主要包括數(shù)據(jù)中心、通信電源、家用電子產(chǎn)品等；電網(wǎng)整合方面，主要包括太陽能和風力渦輪機等；實用工具方面，主要包括減小變壓器體積等；以及電動車和混合驅動機車、軍事、地熱及照明等其它方面。
日本在過去的兩年中發(fā)展方向有所轉變，很多公司轉向成為專門生產(chǎn)GaN的企業(yè)。發(fā)生轉變的原因主要包括：600V-1200V功率器件已成為規(guī)模最大的市場，而GaN在這一區(qū)間內有著十分優(yōu)異的表現(xiàn)；在SiC基底上生長GaN技術的進步使得GaN功率器件的成本大幅度降低；企業(yè)只需通過對現(xiàn)有設備進行調整便可實現(xiàn)生產(chǎn)的轉型和升級。
在未來，第三代半導體的發(fā)展趨勢主要具備以下幾方面特征：半導體照明將側重于降低成本和向更廣闊的市場拓展；由國防推動的射頻領域應用需要更高的功率密度以實現(xiàn)降低成本；功率應用有著最大的增長潛力，例如，600V及以上的器件需求量潛力較大，但其研發(fā)仍需攻關。
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