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第三代寬禁帶半導(dǎo)體

寬禁帶半導(dǎo)體(WBS)是自第一代元素半導(dǎo)體材料(Si)和第二代化合物半導(dǎo)體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發(fā)展起來(lái)的第三代半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大于2eV，這類(lèi)材料主要包括SiC(碳化硅)、C-BN(立方氮化硼)、GaN(氮化鎵、)AlN(氮化鋁)、ZnSe(硒化鋅)以及金剛石等。發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些，碳化硅SiC、氮化鎵GaN、硅Si以及砷化鎵GaAs

SiC和GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于Si和GaAs，寬禁帶半導(dǎo)體的zui高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體材料。擊穿場(chǎng)強(qiáng)和飽和熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)大于Si和GaAs。

第三代寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用

根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

半導(dǎo)體照明

藍(lán)光LED在用襯底材料來(lái)劃分技術(shù)路線。GaN基半導(dǎo)體，襯底材料的選擇就只剩下藍(lán)寶石((Al2O3)、SiC、Si、GaN以及AlN。后兩者產(chǎn)業(yè)化為時(shí)尚遠(yuǎn)，我們討論下前三者。總的來(lái)說(shuō)，三種材料各有千秋。藍(lán)寶石應(yīng)用zui廣，成本較低，不過(guò)導(dǎo)電性差、熱導(dǎo)率低;單晶硅襯底尺寸zui大、成本zui低，但先天巨大的晶格失配與熱失配;碳化硅性能優(yōu)越，但襯底本身的制備技術(shù)拉后腿。

LED三種襯底

全球LED襯底市場(chǎng)分析：普萊西、晶能光電和三星主要使用硅襯底，但是技術(shù)起步晚，目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，市場(chǎng)占有率低;Cree公司主要采用碳化硅襯底，但是由于其成本問(wèn)題，加上專(zhuān)利壟斷，幾乎沒(méi)有其他企業(yè)涉足。中村修二領(lǐng)導(dǎo)的Soraa公司據(jù)知正在采用氮化鎵(GaN)襯底，這是良好的LED襯底材料，但是比藍(lán)寶石更昂貴，并且生產(chǎn)尺寸也受到限制，也不能夠被大量采用。因此，藍(lán)寶石襯底得以迅速發(fā)展，占據(jù)主流市場(chǎng)。

根據(jù)IHSzui新研究情報(bào)顯示，在2015年全球96.3%的LED生產(chǎn)均采用藍(lán)寶石襯底，預(yù)計(jì)到2020年該數(shù)據(jù)將會(huì)上升到96.7%。2015年主要得益于價(jià)格下跌，藍(lán)寶石應(yīng)用市場(chǎng)才得以提振。尤其是4英寸晶圓在2015年占據(jù)了55%的市場(chǎng)份額，其中9.9%是被三星、首爾半導(dǎo)體、晶元光電等大廠分割;6英寸晶圓產(chǎn)能也持續(xù)增長(zhǎng)，主要以歐司朗、Lumileds公司、LG化學(xué)和科銳等廠商為首要選擇。

功率器件SiC和GaN商業(yè)化功率器件發(fā)展歷程

許多公司開(kāi)始研發(fā)SiC MOSFET，包括科銳(Cree)旗下Wolfspeed(被Infineon收購(gòu))、羅姆、意法半導(dǎo)體、三菱和通用電氣。與此相反，進(jìn)入GaN市場(chǎng)中的玩家較少，起步較晚。

SiC半導(dǎo)體材料及器件的發(fā)展過(guò)程

2015年，SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)(包括二極管和晶體管)規(guī)模約為2億美元，到2021年，其市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將超過(guò)5.5億美元，這期間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。毫無(wú)懸念，消耗大量二極管的功率因素校正(PFC)電源市場(chǎng)，仍將是SiC功率半導(dǎo)體zui主要的應(yīng)用。