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[资料分享] 芯言新语 | 从技术成熟度曲线看新型半导体材料

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一粒金砂(中级)

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发表于 2017-2-22 15:02:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

随着硅基电力电子器件逐渐接近其物理极限值,新型半导体材料以更大的禁带宽度、电子饱和漂移速度更快为特点,制造出的半导体器件具有优异的光电性能、高速、高频、大功率、耐高温和高辐射等特征,在光电器件、微波器件和电力电子器件具有先天优势。


数据来源:网络

Gartner每年发布的技术成熟度曲线已经成为科技和投资界一场盛事。Gartner长期致力于通过技术成熟度曲线研究,对不同领域的技术和趋势做出评估,指导政府、科研企业、投资界在最佳时间采用这些技术或者切入该市场。该曲线按照技术触发期、期望膨胀期、幻觉破灭谷底期、复苏期、成熟期分为五个阶段。并同时按照距离主流应用的时间分组为“少于2年”,“2-5年”,“5-10年”和“10年以上”分为4个级别。并用这5个阶段和4个级别完成一个优先权矩阵,用于评估投资该市场的风险。

2016技术成熟度曲线(来源:Gartner 2016年7月)

新型半导体材料主要是以砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的化合物半导体材料和以石墨烯为代表的碳基材料。了解每种新型材料及其应用在技术成熟度曲线的位置,对我们研发、投资切入有着极其重要的意义。

作为第二代半导体材料的代表,GaAs和传统Si相比,有直接带隙、光电特性优越的特点,是良好的光电器件和射频器件的材料。GaAs器件也曾被认为是计算机CPU芯片的理想材料,上世纪末一些公司曾有深入的研究并取得一些成果,但未能被市场充分应用。后来随着半导体照明和3G手机的普及,GaAs作为发光器件和功率器件越来越多的被应用,并于本世纪出步入成熟期。

GaAS器件技术发展 (数据来源:赛迪智库)

作为第三代半导体材料的代表,宽禁带材料SiC和GaN相对于前两代半导体材料具有可见光波段的发光特性、高击穿场强、更好的大功率特性、更加抗高温和高辐射等优势,可以应用于光电器件、微波通信器件和电力电子器件。经过多年的发展和政府推广,GaN基的LED已经发展成熟,但作为微波通信器件和电力电子器件,还远远没有广泛被应用。GaN基的微波通信器件具有优于GaAs的高频特性和微波特性,目前主要用于军用领域,随着未来5G的大面积铺开,GaAS将不能满足这种高频特性需求,GaN的将会大规模部署于民用领域。作为电力电子器件,GaN相对于SiC具有相对低的成本优势,适合于高端的低电压如白色家电、电动汽车等领域,但由于目前技术尚未成熟,成本导致了大规模应用尚需时日;而SiC功率器件经过多年的发展,SiC基SBD器件技术已经成熟,MOSFET性能突出,SiC的IGBT已经有多家公司发布高性能样品,混合或全SiC功率模块已实现商业化,但大规模商用尚需时日。但在高端的如高速列车、风力发电以及智能电网已经部分的开始使用SiC产品。GaN和SiC产品作为功率器件和高频器件,在逐步步入成熟期;但在其他领域,如固态紫外器件、激光探测等领域,还有更长的路要走。

GaN的技术成熟度 (数据来源:IMS Research)

SiC的技术成熟度 (数据来源:赛迪智库整理)

碳基材料中的石墨烯具有比金属还高的电子迁移率,所以导电性和导热性都非常优越,加之具有六边形网状的化学结构,其强度非常高,并且具有高比表面积和高透光性,可应用于工程复合材料、锂离子电池电极、透明电极、触摸屏、传感器、半导体器件等。石墨烯产业化仍处于发展初期,产业链划分仍不明确。目前石墨烯在半导体领域的应用还处于实验室阶段,很多国家和大公司都在布局石墨烯的研究;但在装备及产业化应用技术方面已经较为成熟,例如作为涂料添加剂。石墨烯在不同的应有领域也有不同的成熟度,但整体而言,石墨烯产业距离成熟和大规模商用仍有很长一段距离。

石墨烯技术应用成熟度曲线 (数据来源:赛迪智库)

Gartner每年除了技术成熟度曲线外,还会发布一个优先权矩阵,用于比较候选技术的相对收益和成熟度,可用于确定新兴技术的优先次序以及投资回报和风险。

Gartner 的优先权矩阵

作为下一代半导体材料,该领域吸引了许多国家研究机构和有实力的大公司投入。欧盟主导的的“石墨烯旗舰计划(the Graphene Flagship)”不仅致力于石墨烯材料的研发,而且在融入“地平线2020发展计划框架”后,进一步推动石墨烯及相关材料走出实验室,实现在社会中的应用。新材料在《<中国制造2025>重点领域技术路线图》中是十大重点领域之一,其中先进半导体材料和石墨烯材料分别被纳入关键战略材料和前沿新材料两个发展重点。在逐渐步入成熟期的门口,下一代半导体材料也逐渐吸引了很多中小公司进入,市场也逐渐活跃起来。但根据技术成熟度曲线和公司自身技术、资源储备,评估合适的风险切入该市场,仍不失为理性的做法。



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