第三代半导体科研突飞猛进，科研仪器存海量市场

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分享： 2020/09/30 15:41:55

导读：我国计划在2021-2025年期间，大力支持发展第三代半导体产业，以期实现产业独立自主。这一消息再次将第三代半导体映入人们的视线。

近日，有消息称，我国计划把大力支持发展第三代半导体产业，写入“十四五”规划，计划在2021-2025年期间，大力支持发展第三代半导体产业，以期实现产业独立自主。这一消息再次将第三代半导体映入人们的视线。

第三代半导体是指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。与传统的第一代、第二代半导体材料硅（Si）和砷化镓（GaAs）相比，第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力，是世界各国半导体研究领域的热点。

目前，第三代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命，无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品，都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。

科研人员披荆斩棘，冲破国外技术封锁

2014 年，美国总统奥巴马宣布成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”;同期，日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟;欧洲启动了产学研项目“LASTP OWER”，由意法半导体公司牵头，协同来自意大利、德国、法国、瑞典、希腊和波兰等六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心，联合攻关SiC和GaN的关键技术。

基于第三代半导体的广阔应用前景、巨大的市场需求和经济效益，继半导体照明以后，美国将第三代半导体材料的电子电力器件应用提升到国家战略的高度，确保美国在这一领域的优势地位。由于第三代半导体材料及其制作的器件的优越性、实用性和战略性，许多发达国家将第三代半导体材料列入国家计划，全面部署，竭力抢占战略制高点。目前美欧日具备较为成熟的GaN半导体材料产业体系。

目前我国第三代半导体材料市场仍以日美欧厂商为主角，但近几年我国已经开始大力扶持第三代半导体产业。在国家 “863计划”，《国家半导体照明工程》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等政策的支持下，第三代半导体的研究取得了一系列突破性进展。

时间	成果	单位
2003/7	在自研的高温生长炉上，解决了物理气相传输法中生长SiC晶体的一些关键物理化学问题，成功地生长出了直径为2英寸的SiC晶体，其X-射线衍射摇摆曲线达到2弧分，微管密度已少于100个/平方厘米(10x10平方毫米样品)，这些表征SiC晶体质量的重要参数指标超过了目前Cree公司的部分商品的指标，为SiC单晶的国产化奠定了基础。	中科院物理所
2003/9	解决了在蓝宝石衬底上生长氮化镓基蓝光LED结构的外延生长、LED器件工艺及减薄、抛光、划裂片器件后工艺方面的一系列关键技术。该技术的主要技术指标为：氮化镓基蓝光LED在20mA正向电流下，主波长在460至475nm之间，发光强度典型值处于4180～5860mcd，正向压降小于3.5v；在5v反向电压下，反向电流小于1μA；在10μA反向电流下，反向电压大于10V。外延片片内波长均匀性优于3nm，炉内六片波长均匀性优于6nm，连续七批外延片炉间波长均匀性优于6nm。	中科院物理所与上海蓝宝光电材料有限公司
2004/4	研制成大功率高亮度半导体芯片，这种大功率高亮度半导体芯片亮度达到了1500mcd	方大集团
2004/7	打破国外长期封锁我国生产型MOCVD设备研制成功	中国科学院半导体研究所
2005	研制成功一种成本非常低廉的新型发光材料与器件，在第一代半导体材料（硅衬底）上制备了高质量的第三代半导体材料，研制成功高亮度高可靠性硅衬底蓝色发光二极管（LED），光输出功率6-9毫瓦（20毫安），并完成了小试任务。	南昌大学国家大学科技园
2005/1	研制成功国内第一台生产型GaN-MOCVD设备	南昌大学国家大学科技园
2007/7	研发出了具有自主知识产权的第二代碳化硅晶体生长炉，进一步优化了具有自主知识产权的碳化硅晶体生长工艺，使晶体质量的稳定性和产率得到提高。同时，在国内首次建立了一条完整的从切割、研磨到化学机械抛光(CMP)的碳化硅晶片中试生产线，建成了百级超净室，开发出碳化硅晶片表面处理，清洗、封装等工艺技术，使产品达到了即开即用(Epi-ready)的水准。	中科院物理研究所与北京天科合达蓝光半导体有限公司
2007/11	在国内首次研制成功了室温连续工作的氮化镓基激光器，条宽和条长分别为2.5微米和800微米，激光波长410纳米，阈值电流110毫安，阈值电流密度5.5kA/平方厘米，在150毫安，工作电流时，激光器的输出功率9.6毫瓦，为研制实用化的激光器打下了坚实的基础。	中科院半导体所
2011/5	研制出Fe掺杂自支撑GaN基X射线探测器原型器件。该探测器采用垂直结构、上下电极，在无避光环境下，偏压为200V时，X射线开启后的光电流迅速上升，与暗电流之比高达180，并且实现了对六角钢制螺母的X射线扫描清晰成像。	中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
2011/10	制备出GaN基PIN结构X射线探测器，在X射线辐照下的光电流与暗电流之比高达27.7	中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
2011/10	制备出另一种GaN基PIN结构α粒子探测器，在-30V的工作电压下仅nA级漏电流，并且电荷收集率达到了80%	中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
2011/10	研制出GaN基PIN型核电池原型器件，该电池采用Ni-63同位素作为能量源，输出开路电压为0.14V，短路电流密度为89.2nAcm-2，能量转换效率为1.6%，电荷收集效率能达到100%。	中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
2013	山东天岳自主研发的碳化硅晶体生长和衬底加工技术达到了世界先进水平，拥有了独立的自主知识产权。打破了以美国为首的西方发达国家的技术垄断和封锁。	山东天岳先进材料科技有限公司、山东大学晶体材料国家重点实验室
2014/12	研制出了6英寸碳化硅（SiC）单晶衬底	中国科学院物理研究所与北京天科合达蓝光半导体有限公司
2015/4	开发了SiC栅氧化和氮化的栅介质工艺，将MOS栅电容的CV平带电压从3V左右降低到小于0.2V，成功研制出1200V和1700V SiC MOSFET器件	中国科学院微电子研究所
2015/7	研制出具有国际先进水平的高频增强型GaN MIS-HEMT器件	中国科学院微电子研究所、香港科技大学、西安电子科技大学、中科院
2016/9/14	在硅上研制出第三代半导体氮化镓基激光器，这也是世界上第一支可以在室温下连续工作的硅衬底氮化镓基激光器	中科院苏州纳米技术与纳米仿生所
2017/10	研制了满足高压SiC电力电子器件制造所需的4-6英寸SiC单晶生长炉关键装备，形成了我国具有自主知识产权的4-6英寸SiC单晶生长炉关键装备体系	新疆天科合达蓝光半导体有限公司、中科院物理研究所、半导体研究所、浙江大学
2018/2	国内首家氮化镓基蓝绿光半导体激光器材料和器件生产企业成立，蓝绿光半导体激光器实现国产化
2018/8	开发出基于新型基板的第三代半导体器件封装技术，满足对应高性能封装和低成本消费级封装的需求，研制出高带宽GaN发光器件及基于发光器件的可见光通信技术，并实现智能家居演示系统的试制；开展第三代半导体封装和系统可靠性研究，形成相关标准或技术规范；制备出高性能SiC基GaN器件	中科院苏州纳米所
2019/12	首次将晶圆级β-Ga2O3单晶薄膜（< 400 nm）与高导热的Si和4H-SiC衬底晶圆级集成，并制备出高性能器件。高质量的氧化镓薄膜的厚度不均匀性为±1.8%，通过化学机械抛光优化后薄膜的表面粗糙度达到0.4nm以下。器件电学测试表明在300K到500K的升温过程中开态电流和关态电流没有明显退化，对比基于同质氧化镓衬底的器件，热稳定性有显著的提升，SiC基氧化镓MOSFET器件即使在温度500K时，击穿电压依然可以超过600V。	中国科学院上海微系统与信息技术研究所和西安电子科技大学

前路漫漫，任重道远，第三代半导体危机仍在

“国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。”国家半导体照明工程研发及产业联盟一专家表示，国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。

以功率半导体为例，功率半导体主要用作电子元件中的开关及整流器，同时是矽、砷化镓、氮化矽等半导体材料，是在经过电学属性调整等一系列工艺后，所得到的电学元件。功率半导体的应用领域非常广泛，市场规模高达数百亿美元。根据Yole资料显示(如下图)，2018年全球功率半导体分立器件市场规模为363亿美元，预计到2022年可达到426亿美元，年复合增长率为5.43%。中国对于功率半导体有庞大的需求，占全球43% 的比重，远超过第二名的美国(14%)，且随着中国环保意识逐渐增强，对功率半导体元件的需求也不断扩大。然而，全球排名前十的企业中没有中国企业，反映出功率半导体产业中国厂商还有很大的追赶空间。

此外，第三代半导体设备也受制于人。目前，国外宽禁带半导体技术发展的产业链日趋完整成熟，设备先进稳定，工艺水平较高，自动精密控制能力高。国外在开展工艺技术研究的同时，非常重视对宽禁带半导体设备的研发投入。目前美国、德国、日本、乌克兰、意大利宽禁带半导体关键装备工艺技术水平较高。我国宽禁带半导体设备市场呈现主要设备国外主导，国内主要宽禁带半导体相关研制单位均采用进口设备进行工艺研究，个别单位在进口设备基础上进行仿制，工艺受制于设备很难得到提升。

未来，我国第三代半导体产业将面临许许多多的难题。就像北京大学宽禁带半导体研发中心沈波教授所说，当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好，因为过去十年，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高，但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走，市场和产业刚刚启动，我们还面临巨大挑战，必须共同努力。

第三代半导体仪器设备汇总

科学研究离不开仪器设备的辅助，而第三代半导体的研究和生产涉及大量的相关设备。以SiC为例，以下为相关设备配置清单。

环节	设备
晶体生长	碳化硅粉料合成设备
晶体生长	碳化硅单晶生长炉
晶体加工	金刚石多线切割机
	碳化硅研磨机
	碳化硅抛光机
器件制造	碳化硅外延炉
	分步投影光刻机
	涂胶显影机
	高温退火炉
	高温离子注入机
	溅射设备
	干法刻蚀机
	PECVD
	MOCVD
	高温氧化炉
	激光退火设备
器件封装	背面减薄机
器件封装	划片机