《第三代半导体氮化镓应用场景及产业政策研究》4400字（论文）

第三代半导体氮化镓应用场景及产业政策研究目录TOC\o"1-2"\h\u31737引言 117400一、第三代半导体氮化镓应用场景 229158（一）硅功率器件的困境 226319（二）GaN功率器件的优势 36825二、江苏氮化镓产业政策未来发展趋势 423374（一）产业政策保障情况 42292（二）产业基础和产业布局 525776三、结语：江苏省第三代半导体产业发展建议 518724参考文献： 6摘要：常规开关电源常采用硅开关器件。硅（Si）功率器件的研制已有相当长的历史。经多年来不断完善，它们的表现已经接近理论极限。在开关电源日益发达的今天，要求功率器件，比如，对较高频率的适应，转换效率较高，功率密度较高等特点，并且硅功率器件已经难以满足。最近几年，有厂家陆续推出不少系列GaN器件，其目的在于取代硅器件，从而生产出效率更高的开关电源。本文对第三代半导体氮化镓的应用场景和产业政策进行了研究，简介GaN优点，并就其研究现状与今后发展趋势提出建议。关键词：GaN，发展;应用场景;产业政策引言目前，第三代半导体产业应用市场呈快速增长趋势，国际竞争同样激烈的是美国和欧洲、口本和其他发达国家正在积极地作出战略部署，通过设立创新中心、联合研发等等途径，把产学研与政府部门结合在一起，协同组织，共同投资，加速第三代半导体技术发展，利用应用端需求，推动技术研发，资金更加转向产品级开发与终端应用，从而彻底抢占了世界第三代半导体市场的口一创。我国在第三代半导体市场需求和产业化水平方面处于领先地位。与国际先进水平并列的光电子材料和器件，目前我国LED照明产业已得到长足发展，并成为我国第三代半导体产业的首次突破口。但是在电力电子半导体的材料与器件中、在射频材料及器件上达到了国际先进水平，还在跟着跑步。随着世界半导体产业逐渐向亚洲迁移，我国对半导体产业发展的决心与扶持是前所未有的，5G、新能源汽车，A工等新兴产业所带来的巨大市场空间，我国大力发展第三代半导体产业，正当其时。一、第三代半导体氮化镓应用场景（一）硅功率器件的困境现阶段绝大多数开关电源采用的开关器件是硅器件，硅是至今为止最重要的半导体材料之一，其原材容易获得且成本较低，发展历史源远流长，基于Si研发的设备具有高可靠性。SiMOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）作为传统的双极晶体管的替代品，研制于1976年，在开关器件中使用最为普遍。SiMOSFET作为电压控制元件，需要的驱动电流很小，便于驱动的同时，因其原理是利用多数载流子导电，场效应管的开关速度相对较快。也正是由于场效应晶体管的诸多优势，开关电源得以迅猛发展。如今，开关电源得到了越来越广泛的应用，本申请提供了电脑电源、手机充电器、电动车充电器等、向大型服务器提供电力、通信设备电源等，在生活中已得到了广泛应用，生产及其他各方面的同时，开关电源蓬勃发展，推动SiMOSFET产业的发展和技术进步。历经四十年，SiMOSFET性能不断得到开发和改进，现在，相同100V耐压SiMOSFET导通电阻可减小至3mΩ或以下，与此同时，SiMOSFET品质因数（FOM）逐渐得到了优化，硅器件性能被优化至接近其理论极限。甚至达到了理论极限，硅器件的改进仍未停止，例如IGBT器件，它的导通性能甚至突破了简单垂直型多子MOSFET所能达到的理论极限，由于SiMOSFET较低的结构成本，以及多年来研制过程中不断累积的发展，制作硅器件等方面的经验，使得SiMOSFET的革新和优化在相当长的时间内具有了延续的潜力，但其性能的提高已经相当有限。但是它在性能上得到了进一步改进，需要耗费的费用将不断增加。在工业日益发达的今天，开关电源性能越来越好了，同时，对于功率功率器件有很高的需求，要求开关器件的转换速度要高、较低的导通电阻、高过击穿电压、高可靠性和其他许多特点。增加工作频率，是增大功率密度的有效途径之一，工作频率高等，对缩小配套元件尺寸十分有利，特别地，电感与电容之间存在体积问题。我们都知道开关电源电感与电容占很大一部分体积，由于频率提升而导致体积减小，可显着提高整体电源功率密度。同时增加工作频率，减少动态反馈与调整的时间，开关电源动态特性将进一步得到优化。但工作频率明显有上限，工作频率过大会导致开关器件开关损耗剧增。由于开关器件不是理想的器件，切换时有高电流和大电压共存的情况，也就是产生开关损耗。同时切换过快，易造成电路震荡，降低了系统的稳定性。此外，对已有器件进行封装，特别是直插为器件寄生电感较高，在某种程度上制约开关频率，同时还会对器件高频性能造成影响。受其限制，目前已有使用SiMOSFET器件开关电源，工作频率通常被限制在200kHz之内，电压较高时，频率可调空间将进一步被限制甚至在100kHz以下。（二）GaN功率器件的优势近年来出现的新型半导体材料，尤其第三代半导体GaN，已经成为功率器件发展的热点，受到越来越多的关注，一般认为可望取代已有硅器件。随着集成电路工业技术不断突破创新，新一代移动终端应用日益广泛，第三代半导体产业迎来了前所未有的历史机遇。这些优异的性能使得它们在未来功率电子器件领域具有十分重要的应用前景。与第一代半导体Si相比，GaN材料电子迁移率较高、较大的临界击穿电场、电子饱和速度大，禁带宽度大等多种优点。同时，GaN和AlGaN在界面处可形成异质结继而，界面上形成了高浓度的二维电子气沟（2DEG），这一性质为各种材料所少有，这一特点具有很大优点。另外GaN材料还有很多特有的优点，并且许多的优点使得GaN材料适合高温、高压、高频、用于高功率，成为新一代电力电子中的首选产品。表1.1三代半导体材料的主要物理化学性质的比较半导体材料SiGaAsGaN4H-SiC禁带宽度(eV)(300K)1.121.433.453.26相对介电常数11.812.5910临界电场强度(mV/cm)0.30.63.32.0平均电离能(eV)3.64.88.9--饱和漂移速度(X107cm/s)123.32电子迁移率(c耐/V·s)1500850012501140熔点(0℃)1420123817002830热导率(W/cm·K)(300K)1.50.462.24.5图1-1Si、SiC和GaN理论极限由表1.1和图1-1不难发现GaN材料有很多优良特性：（1）GaN的带隙是Si的三倍，GaN的击穿场强为3.3×106V/cm，是Si的（3×105V/cm）的12倍，确保GaNHEMT器件具有高压应用功能。（2）GaNHEMT器件在运行中能够确保即有超高的击穿电压，同时导通电阻也最小，这就决定了该装置有非常大的功率特性，GaNHEMT能达到高于Si数十倍功率输出密度，因而易于达到较高功率要求。同等功率需求时，器件所产生热量较少，减少对散热系统要求。（3）GaN较大的禁带宽度，同时能使器件处于高温状态，减少了对系统冷却系统的需求。与此同时，GaN材料也拥有较大的介电常数，较低的高频噪声和较强的抗腐蚀能力的优点。GaN材料的使用环境要求有所下降，并且增加可靠性。结合上述分析，不难发现GaN具有高频，低阻、耐压等性能会很适合开关电源的使用。用GaN开关器件构造开关电源，会达到很高的开关频率，进而达到较小的尺寸和较大的功率密度。随着GaN开关器件的不断成熟，在：智能武器中会得到广泛的应用、电子对抗系统，航空、太阳能发电逆变器等、消费电子市场等等。二、江苏氮化镓产业政策未来发展趋势（一）产业政策保障情况江苏省科委从2014年开始，每年拿出3000万～5000万元专项资金，用于第三代半导体相关材料研发、器件设计与工艺开发、封装材料与工艺开发、芯片及模块测试等方面，对推动江苏省第三代半导体技术和产业发展发挥了积极的作用。在江苏顺义区，政府除安排针对科技类企业的普惠性鼓励政策之外，还每年安排不低于20亿元的专项资金，聚焦智能新能源汽车、航空航天、第三代半导体材料等三大产业集群，突出对科技创新平台、创新创业孵化平台、科技成果转化平台等平台支持；突出对科技型小微企业、国家及江苏省在顺义布局的重点科研项目进行支持。大力实施人才引进工程，引进和聚集千人计划、海归人才、创业团队等各类人才，实现创新链、资金链、产业链的深度融合。（二）产业基础和产业布局江苏聚集了中科院半导体所、微电子所、物理所等有关院所，拥有国内第三代半导体领域三分之一以上的科技资源，研发实力居于国内领先，研发水平整体与国外发达国家同步，大功率LED外延片、超低热阻LED芯片等器件的多项技术指标处于国际一流水平。同时，江苏聚集了世纪金光公司、天科合达公司、泰科天润公司等相关生产制造企业，中国电力科学研究院、中兴江苏研究所、精进电动科技公司等下游用户单位，在国内率先实现了6英寸碳化硅晶圆的小批量制备和二极管等碳化硅相关器件的规模化生产，初步形成碳化硅材料及器件的研发、生产，应用等各环节相对完整的产业链，为未来大力发展第三代半导体技术和产业、建设国家第三代半导体重大创新基地建设奠定了较好的基础。三、结语：江苏省第三代半导体产业发展建议第三代半导体做为一种战略性的先进电子材料，它技术难度大，国外对我技术封锁。面向国家第三代半导体产业，我们提出以下意见。（1）理清差距，着力碳化硅产业。从材料环节看，最快突破大尺寸桎梏、高性能单晶衬底产业化技术研究等等；半导体设备制造环节，加快关键装备国产化步伐，提高国产器件生产水平，解决好自主知识产权产品研制问题。芯片设计与工艺环节等，尽早为碳化硅MOSFET开辟道路、氮化镓HEMT等芯片设计及工艺实现技术，解决可靠性关键技术，解决了相关的驱动与应用系统的模拟的关键技术；封装与测试环节，及早破解高温、高压、高频难题、高功率密度等场合的封装工艺、技巧、解决高压、大电流、高频，例如，材料问题，高温等条件下，测试芯片和模块，解决技术难题。（2）政府的主导作用和合力的形成。第三代半导体产业的开发，是一项规模宏大的系统工程，提出通过发挥政府作用，挖掘并汇聚国内有限科技力量，在材料，芯片，封测和应用等领域组建第三代半导体产业技术创新战略联盟、设备的各个环节，形成上，中，下游密切衔接，共同发展的局面、进行快速迭代验证。达到由企业技术引进的目的、由政府牵头进行关键技术合作开发，对随后的企业自主开发的进程。（3）鼓励民营，外资和其他多种经济形式企业投资。目前半导体产业民间投资呈现了较好的发展势头，但是更加注重芯片的设计环节，要鼓励各经济实体对半导体制造业进行投资，鼓励第三代半导体专用材料和器件生产线的开发，尤其在半导体行业具有丰富经验的大企业集团，让其具备进入上述领域的条件，并且凭借自身经济实力求生存，求发展。（4）最大程度地发挥海外成熟技术与人才的优势。通过海外设立研发中心、海外并购或者海外引进人才等途径，在短期内迅速提高技术整合与自主开发的能力。美国，日本在技术上比较发达，但是封锁是比较严格的，特别是中国，并购企业基本上是不可行，提出以人才，技术引进为主，或通过在本地设立研发中心等途径获取资源。欧洲，俄罗斯等国家的科技也是比较发达，可考虑通过寻求中小规模材料或者器件企业的全面并购或者团队的全面引进来取得合作。参考文献：[1]顾瑾栩,张倩,卢晓威.北京第三代半导体产业发展思路的研究[J].集成电路应用,2019,36(5):6.[2]任永硕.基于GaNHEMT功率开关器件的250W电脑电源研制[D].大连理工大学,