化合物半导体

出处:feng_zc 发布于:2007-04-29 10:42:30

2003年2月底在圣地亚哥(美国)召开了“化合物半导体2003年展望”会议。除高亮度LED和大带隙固态激光器外,一些电子器件市场和成熟的固态激光器市场还未恢复到其历史水平。某些GaAs IC市场和SiC器件市场今年将会增长。蓝光激光二极管受一些日本公司左右(日亚、索尼、NEC、先锋、夏普、丰田合成等)。日本公司大力开发用于大容量光盘的这类激光器。
索尼公司在三月初推出一种新的消费产品??“蓝射线”DVD光盘,这是工艺上一项进展。它使存储容量由4.7Gb(用红光激光器)增加到~27 Gb,是由于采用了GaN蓝光激光管。这种DVD售价是~3800美元/台。
GaAs IC
某些“较大”的GaAs IC及器件市场有所下降。一些GaAs生产线和Ⅲ-Ⅴ族器件公司不得不“关、停、并、转”。只有那些生产性能产品的公司可得到发展。产品具有高的性价比对公司的生存和发展非常重要。
但GaAs也有“亮点”:某些GaAs IC市场可望增长,其中包括GaAs进入蜂窝电话电子器件市场。该市场今后若干年的增长率将为5%~10%,在2.5G和3G蜂窝电话中将采用更多的GaAs功率放大器和低噪声放大器。其它可望增加GaAs市场的应用是宽带无线、军用和卫星通信。汽车雷达用GaAs器件也可能是其下一个大容量市场,但要在2005年以后。
设备市场
MOCVD沉积设备也像器件市场一样,有上有下。2000年,其产值增长50%,2001~2002年间下降1/3以上。但GaN基高亮度LED(HBLED)生产能力还在增长。美国多年来是设备市场的“主力”,但去年(2002年)转到了亚洲。2002年,Aixtron(MOCVD主要制造厂之一)报导说,其设备销售额59%在亚洲,30%在美国,11%在欧洲,主要是台湾生产能力急剧扩大。
按所生产器件划分:MOCVD设备50%用于LED,20%用于电信/数字通信器件。现代MOCVD反应器每次可生产ф6″7片,每年可生产ф6″片36000片。值得注意的其它工艺进展是8×Ф4″晶片的生长GaN基器件的反应器,若干参数的(不)均匀性可达<1%的水平。也推出了可生长ф8″GaAs的反应器,其不均匀性也在~1%。会议讨论了生长 GaN器件用常压MOCVD(AP MOCVD)工艺的开发。白光LED芯片价格要从70日元(~57美分)下降到40日元(~33美分)以下(每个芯片),即每“流明”(lm)的价格降到0.1美分。这样可望扩大其室内照明光源市场。
氮化物LED工艺
像北美一样,亚洲地区集中力量开发蓝、绿和白光LED,尤其是台湾,迅速提高其GaN器件生产能力。日本政府启动了“21世纪光源”工程。三菱电线工业公司是其主要承担者之一。用LED得到白光有几种方法。日本这项工程则是采用多磷光体(红、绿、蓝或橙、黄、绿、蓝)来得到白光发射。美国则主要开发较短波长紫外LED以制备白光LED光源。
作为这项工程的一部分,三菱研究组开发了一种图形化的蓝宝石衬底,在其上生长 GaN合金层,位错密度可下降到原来的1/3。早期曾制出了外量子效率24%以上的InGaN LED(发光波长382nm )。2003年1月份,其外量子效率增加到43%以上(驱动电流100mA)。
用磷光体制备LED的进展使目前某些磷光体得到新的应用。如掺铈YAG(钇铝石榴石),目前绝大多数蓝光LED+磷光粉所制白光LED就是使用这种磷光体。但这种磷光体对LED还不是激发体,还需开发一种新颖的与LED匹配的磷光体。三菱公司使用多磷光体来激发其380nm波长LED:碱土金属磷酸盐基蓝光、ZnS基绿光及氧化钇基红光磷光体。这样所制白光LED的光效为29lm/w。
SiC进展
SiC 大功率器件已进行了长期研究开发,它的好处是耐压高,工作频率在高频段的低→中范围。由于其带隙大,因而击穿电压较高,热导率较高,功率损耗小从而可在较高功率密度和较高温度下工作。但只是近才有少数公司推出商品。主要工作集中在提高材料质量,例如,降低其微管道密度。SiC器件正进入长期为 Si器件(功率晶体管、二极管、整流器和晶闸管)所垄断的功率半导体市场。该市场去年达到120亿美元。Cree公司有关人士估计,除二极管部分外,SiC每年会占去约1/3或30亿美元的市场并有很大的增长潜力。SiC功率器件的优势是:击穿电压是Si器件的10倍,(开启电阻小,开关速度更快),热导率是Si的3倍(从而有较大的电流密度),又有较高的工作温度,这些优点使SiC器件有较大的系统效率,较低的成本,组件尺寸小,开关频率高。
Cree公司已推出600V(1~20A)和1200V(5A,10A)的SiC整流器产品,其它许多应用领域都可能有SiC商品,从而产生了一个新的化合物半导体市场??2000V器件很快会商品化,虽然它价格总是比Si器件高,但在300V以上器件和其它的一些应用领域中使用SiC器件是合算的??这些情况下,其大带隙的特点显得更为重要。
这类材料的特性还使其应用扩展到高频或射频功率晶体管领域,这方面,去年的市场规模约10亿美元,其中约60%在无线应用中,其次为航空电子器件及器件。在射频器件市场,SiC器件也有潜力。已制出功率附加效率63%的SiC MESFET,其功率密度为5.2W/mm,是同类Si器件的6~7倍。SiC或SiC衬底上生长的氮化物器件还可用于“宽带”方面。已制出20W宽带放大器(400MHz)以及75W连续波放大器(2GHz)。
在SiC 衬底上生长的GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)具有以下性能:效率>60%,大电流(3倍于GaAs器件),高电压(5倍于 GaAs器件),其脉冲功率密度高达12.1W/mm,(10倍于GaAs器件),连续波工作为9W/mm。GaN/ SiC这种“组合”很有发展前景。已制出了2 GHz 时连续波输出功率103W的GaN HEMT。Soitec公司研制出在绝缘体上的SiC晶片(SiCOI)该公司作为Si工业的SOI(绝缘体上的Si)的主要供货者已有10年。预计,2003年生产(等尺寸)ф8″晶片100万片(70%进入北美市场)。目前,SiC 晶片直径基本上是2″、3″及4″。Soitec公司的SiCOI晶片可达8″,可以是导电性的也可是绝缘的。
工业展望
化合物半导体工业在2001年底到2002年中期从“峰值”下降,现在已显出恢复的征候。但还存在一些问题。由于竞争激烈,价格和收益等方面的信息混杂,某些公司生产能力受到限制,另有一些公司正在调整,使整个工业经受分化、重组等。另外,市场增长速度下降,也使Si工艺“乘虚而入”,挤占化合物材料市场。
然而,前景还是良好的。因为许多化合物器件只是其材料的“前端”(at The front end of Their materials),其性能、规模经济学等方面也有多年的改进和提高(绝大多数新工艺仍使用2″晶片)。近Cree公司推出了一种有竞争力的产品,其价格随生产量增加而下降,但其总收入增加了。可以相信,化合物半导体工业的前途是光明的??它总是“创新”者和处于前沿领域,化合物半导体工艺在高速、大功率、发光、高的光、电转换效率等方面的作用是Si工艺所不能取代的。


  
关键词:半导体

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