中國粉體網(wǎng)訊 曾經(jīng)“中流砥柱”的硅功率器件已日趨其材料發(fā)展的極限，難以滿足當(dāng)今社會發(fā)展對于高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化的新需求。以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借其優(yōu)異屬性，已成為突破口，正在迅速崛起。
第三代半導(dǎo)體材料作為新興半導(dǎo)體材料，如GaN和SiC，與Si相比，均具備擊穿電壓高、寬禁帶、導(dǎo)熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點，因而被期待在光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
各種半導(dǎo)體材料的性能參數(shù)
第三代半導(dǎo)體材料的重要應(yīng)用，是在各類半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用，主要以功率器件、微波器件為應(yīng)用和發(fā)展方向。目前，很多領(lǐng)域都將硅二極管和MOSFET及IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等晶體管用作功率元件，比如供電系統(tǒng)、電力機(jī)車、混合動力汽車、工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個人電腦等。由于GaN和SiC所具有的基本特性，使得這些領(lǐng)域所用的功率元件的材料逐步被GaN和SiC替代。
碳化硅功率器件市場預(yù)測（2010-2020）
有專家預(yù)測，第三代半導(dǎo)體功率器件，可能首先會從替換現(xiàn)有硅器件更有利的高附加值的應(yīng)用開始普及，然后從高耐壓高輸出功率的應(yīng)用開始，大范圍更新?lián)Q代。
根據(jù)IHS IMS Research的報告顯示，在未來10年，受到電源、太陽光電（PV）逆變器以及工業(yè)電動機(jī)的需求驅(qū)動，新興的SiC和GaN功率半導(dǎo)體市場將以18%的速度穩(wěn)步成長。預(yù)計在2022年以前，SiC和GaN功率元件的全球銷售額將從2012年的1.43億美元大幅增加到28億美元。
全球SiC/GaN功率器件市場趨勢
如今，SiC已被不少專業(yè)人士視為足以取代硅的可靠技術(shù)。大多數(shù)功率模組和電源逆變器制造商都將SiC納入技術(shù)開發(fā)藍(lán)圖中，特別是PV逆變器有望成為SiC的最佳應(yīng)用。
根據(jù)SiC材料器件的優(yōu)異性能，未來第三代半導(dǎo)體材料及器件將向超高壓、低成本應(yīng)用方向發(fā)展。SiC作為取代Si的功率器件備受期待，在高耐壓領(lǐng)域尤其被看好。在600～6 000V耐壓領(lǐng)域，瞄準(zhǔn)混合動力車及鐵道車輛用途的開發(fā)日益活躍。
第三代半導(dǎo)體材料的規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)開始，SiC功率器件領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入到Si、SiC、GaN 3種半導(dǎo)體材料并用的時代。過去，人們一直利用硅的加工性能良好的特點，借助精雕細(xì)琢的元件結(jié)構(gòu)，提高功率器件的性能并擴(kuò)大其應(yīng)用�，F(xiàn)在，利用第三代半導(dǎo)體材料，在提高能效、電源系統(tǒng)小型化、提高耐壓等方面，其性能已經(jīng)達(dá)到了硅器件無法企及的高度。
對于器件制造廠商，根據(jù)市場應(yīng)用需求及技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，目前，有3種材料都在使用的廠商，也有集中于一種材料開拓用途的廠商。正如中國工程院院士屠海令所言：“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展先后經(jīng)歷了以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料，以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料和以碳化硅與氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料。這三代半導(dǎo)體并不是完全的替代關(guān)系，在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)它們還將并存，并在不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮各自的作用、占據(jù)各自的市場份額。”
具體而言，在第三代半導(dǎo)體異軍突起的情勢下，硅基材料面臨哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？敬請關(guān)注于2019年10月30-31日，由中國粉體網(wǎng)在江蘇徐州主辦的“2019全國石英大會”，屆時來自南京航空航天大學(xué)的傅仁利教授將會帶來題為《面向第三代半導(dǎo)體器件硅基材料面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的精彩報告。
【專家簡介】
傅仁利，南京航空航天大學(xué)教授，長期從事材料科學(xué)與工程的教學(xué)與研究工作，在氧化鋁陶瓷基板，白光LED新型熒光材料及光譜調(diào)控、氮化鋁陶瓷粉末自蔓延燃燒合成、功率電子器件用基板材料和散熱技術(shù)以及電子封裝用高性能復(fù)合模塑料等方面進(jìn)行了比較深入的研究工作，獲得省部級科技進(jìn)步獎兩項，授權(quán)國家發(fā)明專利8項，實用新型專利1項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇。擔(dān)任《復(fù)合材料學(xué)報》和《Materials and Design》通訊編委。
參考資料：
《搶占第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)略制高點——訪中國工程院院士屠海令》，高科技與產(chǎn)業(yè)化
陳秀芳等，第3代半導(dǎo)體材料在5G通訊領(lǐng)域的發(fā)展與機(jī)遇，山東大學(xué)
柳濱等，第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用及制造工藝概況，中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所
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