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chơi game kiếm tiền ios:“古稀之年”的半导体材料:关键技术瓶颈亟待突破,前景如何?

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半导体材料和设备是半导体产业链的基石,是推动集成电路技术创新的引擎。晶圆厂必须购买设备和材料并获取相应的制程工艺才能正常运作。另一方面,三者相互制约,材料的改进常常需要设备和工艺的同步更新,才能有效避免木桶效应。


在半导体产业链中,半导体材料位于制造环节上游,和半导体设备一起构成了制造环节的核心上游供应链。


不同于其他行业材料,半导体材料是电子级材料,对精度纯度等都有更为严格的要求,因此,芯片能否成功流片,对工艺制备过程中半导体材料的选取及合理使用尤为关键。


目前,“古稀之年”的半导体材料现状如何?




01


“古稀之年”的半导体材料


上世纪40年代末50年代中,以Si为代表的第一代半导体材料研制成功,晶体管和集成电路的发明,带来了电子工业大革命,由它拉动产值高达数万亿美元的电子产品。


上世纪60年代以GaAs、InP为代表的第二代半导体发展和应用,半导体激光器的发明以及光学纤维研制成功,使人类进入光纤通信、移动通信和高速因特网时代。实现了“秀才不出门,便知天下是”的梦想。


二十一世纪以来,第三代半导体材料逐渐崭露头角。第三代半导体材料具备热导率高、电子饱和漂移速度高、热稳定性和化学稳定性好、抗辐照、耐腐蚀等特性,是理想的微电子和光电子器件的基础材料。


“尤其在半导体白光照明,光伏发电,高频、大功率微电子器件,电力电子器件和紫外、深紫外光电探测器件等方面有着重要的应用前景,是目前材料科学领域研究的热点和前沿。”王占国院士说。


02


关键技术瓶颈亟待突破


第三代半导体材料主要包括以GaN为代表的III-V族氮化物、SiC、氧化物半导体(ZnO、β-Ga2o3)和金刚石等。它们都是宽带隙半导体材料。


1、GaN基材料或将触发照明光源革命


GaN基材料包括 GaN、AlGaN、InGaN、和AlN等,属纤锌矿结构,直接带隙,禁带宽度在3.4eV-6.2eV之间。GaN体单晶通常采用高温、高压氨热法制备。王占国院士表示,目前尚无大块体单晶材料生长成功的报道。


据悉,GaN基光电子器件,特别是GaN基蓝、绿和紫光激光器产业发展迅速,2019年产值已达2亿美元,目前产值估计可达百亿,已经形成了包括LED外延片的生产、LED芯片制造、芯片封装及LED产品应用等完整的产业链,在白光照明、汽车照明和彩色大屏幕显示等得到了广泛的应用。


王占国院士表示,GaN基半导体材料目前的研发存在3大难题:第一,GaN基块体材料由于需要在高温、高压条件下合成,制备难度很大;第二,具有单极性掺杂特征,AlN、AlGaN、GaN 高浓度的P型杂质困难;第三,异质结构材料质量有待提高。尽管GaN基微结构材料是在大失配的异质衬底上生长,缺陷密度很高,但通过图形化衬底、范得瓦生长和二维中间层生长技术等,缺陷密度可降低大约一个量级,器件性能得到明显提高。


基于GaN基材料的发光器件,未来将走进千家万户,触发照明光源的革命;采用转换效率高的E类或F类GaN基微波大功率放大器(HEMT),在雷达、5G微波通讯等领域有重要应用前景。


2、SiC已形成完整产业链,但仍缺高端产品


SiC具有170余种结构,常用的是4H和6H-SiC,为纤锌矿结构,具备热导率高、临界击穿电场强度高的特性,并具有极好的化学稳定性。


SiC基器件在半导体白光照明、电力电子器件、双极型功率器件BJT、IGBT等领域已得到了广泛的应用。SiC基材料将成为高温、高压、大功率电力电子器件的核心,在风电、光伏发电、舰船、智能电网和轨道交通等起着不可替代的作用。


王占国院士指出,“尽管我国在SiC电力电子产业方面已形成完整的产业链,但仍然缺乏高端产品。”


3、ZnO光电器件研究陷掺杂等瓶颈


ZnO半导体材料热力学稳定,压电特性强,且对可见光透明。


王占国院士表示,ZnO(3.437eV)与其它宽带隙半导体材料相比,具有较高的激子束缚能(60meV)、室温以上高效发光、极好的抗辐照性能,以及低的外延生长温度和大尺寸单晶衬底以及价廉等独特的优点,有望用于UV发光二极管与低阈值激光器、UV探测器、汽车尾气纯化、非可视通信和生物传感器以及抗辐照太空探测器等领域。


新型ZnO基光电器件的研制,曾受到国内外广泛的关注。但ZnO制备仍存3大难点:块状单晶缺陷多、完整性差;MOVCD同质和异质外延进展缓慢;加之P型掺杂困难等,光电器件研究受阻。

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4、氧化镓是日盲深紫外探测器的理想材料


氧化镓是一种深紫外透明半导体氧化物, 直接带隙,带隙4.9eV左右,氧化镓在280nm-1100nm范围内是高度透明的。氧化镓具有单斜结构和优良的化学和热稳定性,其熔点大约为1820℃。


通过掺杂锡与硅等可以将控制材料的N型载流子浓度在1016~1019cm-3之间。“目前还没有关于P型氧化镓的报道。”王占国院士表示。


氧化镓有5种同分异构体,包括α-、β-、γ、δ、ε-相。在这些晶型中,氧化镓(β-Ga2O3)是热力学上最稳定的相,而其它的晶型都属于亚稳态晶体结构。


目前,氧化镓在液晶显示器、太阳能电池、半导体照明等领域有着广泛的应用前景,已成为材料科学研究的热点之一。同时,氧化镓是制备“太阳盲”深紫外探测器的理想材料。


“氧化镓材料及器件还存在着晶体质量差、P型掺杂等问题,器件的性能距实用化还有一定的距离。”王占国院士说。



5、钙钛矿基半导体材料已应用于光伏行业


钙钛矿材料晶体结构由BX6八面体结构和AX12立方八面体结构嵌套构成。


钙钛矿基太阳能光伏电池技术近年来发展迅速,2009年首次报道时光电转换效率仅为3.8%,2014年已经达到了20.1%,2020年达到了27.7%。


王占国院士表示,这得益于钙钛矿型材料禁带可调控,载流子的双极输运、高迁移率和长寿命,制备方法简单多样,低成本低能耗等。但是钙钛矿电池的吸收层含毒性物质Pb,且大面积均匀性和稳定性尚存问题,必须重视这些问题。


6、“终极半导体”国内研发投入不足


金刚石已有两千多年的历史。随着上世纪五、六十年代高压和CVD合成金刚石技术相继问世,特别是八十年代快速生长的MPCVD技术的成熟,探索半导体金刚石的特性才成为可能。


王占国院士表示,半导体金刚石集光学、电学、热学、力学、耐蚀等方面的优异性能于一身,被称为“终极半导体”。半导体金刚石在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高科技领域中有重要的应用前景,是目前材料科学研究的前沿和热点之一。


王占国院士指出,半导体金刚石仍存掺杂难题,主要表现为:第一,金刚石的晶格常数小,掺杂原子的引入会引起晶格畸变,所以绝大多数外来原子很难嵌入金刚石晶格;第二,掺杂原子在禁带中的能级较深,不易电离;第三,P型半导体金刚石可通过受主杂质硼(B)掺杂获得,能级位于价带顶以上0.37eV处。


半导体金刚石器件的主要应用领域为:肖特基二极管、场效应晶体管、金刚石单晶PIN深紫外发光二极管、单光子光源、高能粒子探测器、化学和生物传感器等。


被称为“终极半导体”的金刚石晶体材料和器件,已成为国际材料科学研究的热点。王占国院士表示,遗憾的是,我国对半导体金刚石的支持力度很小,5年的研发经费之和仅为1700万元。


03


行业发展前景


1.国家政策支持促进行业发展


为鼓励半导体材料产业发展,突破产业瓶颈,我国出台等多项政策支持半导体行业发展,为半导体材料产业的发展提供良好的发展环境。在国家政策的引导下,本土半导体材料厂商不断提升半导体产品技术水平和研发能力,逐渐打破了国外半导体厂商的垄断格局,推进中国半导体材料国产化进程,促进中国半导体材料行业的发展。半导体材料行业相关政策具体如下:


2.半导体市场增长带动半导体材料行业发展


物联网、5G通信、汽车电子等新型应用市场的不断发展以及下游电子设备硅含量增长产生了巨大的半导体产品需求,推动半导体行业进入新一轮的发展周期。据WSTS数据显示,2021年全球半导体销售额达到5559亿美元,其中中国大陆2021年销售额为1925亿美元,占比34.6%。中国为全球最大半导体市场,支撑国内半导体材料厂商快速成长。在半导体工艺持续升级与下游晶圆厂积极扩产的背景下,半导体材料市场快速增长。


3.国产替代加速促进半导体材料行业发展


半导体核心材料技术壁垒极高,国内绝大部分产品自给率较低,市场被美国、日本、欧洲、韩国和中国台湾地区的海外厂商所垄断。目前,国内半导体材料企业在部分领域实现自产自销,并在靶材、电子特气、CMP抛光材料等细分产品取得较大突破,各主要细分领域国产替代空间广阔,预计将促进我国半导体材料行业发展。伴随国内晶圆厂积极扩产,国内半导体材料厂商将迎来百年一遇的窗口期,我国半导体材料行业有望迎来快速增长。




来源:新材料在线,飞鲸投研,中商产业研究院

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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