半導體所發布科技成果匯編 GaN基電子材料等項目尋求技術合作

日前，中科院半導體所發布了科技成果匯編2017年版，材料牛摘錄其中四個材料類成果如下：

高性能氮化鎵基電子材料

項目名稱：高性能氮化鎵基電子材料

項目成熟階段：成熟期

概況： 氮化鎵（GaN）基電子材料是發展新一代GaN基微波功率器件和電力電子器件的基礎，處于信息 產業鏈的高端，是各國競相占領的新一代戰略高技術制高點，也是推動和發展我國新一代信息產業的重要機遇。中科院半導體所是國內最早開展GaN 基電子材料研發的單位，并一直在該領域起著引領、 示范和帶動作用。經過盡二十年的自主創新，攻克了2英寸和3英寸藍寶石、碳化硅和硅襯底上GaN基電子材料外延生長的關鍵科學技術問題，在高阻GaN外延材料、高遷移率GaN外延材料、高遷移率AlGaN/GaN 異質結結構材料等方面形成了系統的自主知識產權，設計并研制出了多種具有特色的 AlGaN/GaN 異質結構電子材料，并實現了批量供片。所研制的材料非常適于研制生產高頻、大功率 GaN 基功率器件、單片集成電路和電力電子器件，可廣泛應用于手機基站、航空航天、衛星通信、雷 達、智能電網、電動汽車、高速列車等領域，具有重大應用前景和市場潛力。

技術特點： 該技術是采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法，在藍寶石、碳化硅或者硅襯底上外延高性能 GaN 基電子材料，采用本技術研制的 GaN 基電子材料，生長速度快、材料質量好，重復性和均勻性高。采用該技術所研制的外延材料性能為國內領先、國際先進水平，部分指標參數為國際領先水平： 外延材料方塊電阻：270-400Ω/之間可調； 方塊電阻片內不均勻性：優于 3%； 室溫二維電子氣遷移率：大于 1800cm²/Vs； 外延材料尺寸：2英寸或3英寸，并可擴展4英寸或更大尺寸。

專利情況： 本技術所涉及到的材料結構和制作方法已申請并獲得授權的國家發明專利 17 項，所取得的成果分中別通過中科院和工信部組織的專家鑒定，獲工信部科技進步一等獎 1 項，北京市科學技術二等獎 1 項。

市場分析及應用情況：基于 GaN 基電子材料的微波功率器件和電力電子器件可以廣泛應用于移動通信基站等新一代信息產業領域。據美國 Cree 公司估計，如果在新一代無線通訊基站中以 GaN 基功率器件替代目前常用的 Si LDMOS 管使之成為無線基站射頻功放的主流功率放大器件，可減少高達20%的功耗，每年將節省60TWh的電能。基于以上原因，GaN 基外延材料近年來備受關注，市場需求量逐年遞增。據 Yole Developpement 公司預測，到 2015 年，GaN 基電子材料在功率電子領域的需求量可突破 60 萬片/年， 市場需求量巨大。目前銷售的 3 英寸外延片市場價約 10 萬元/片，通過產業化實現 3000 片/年的產能可實現 3 億元的年產值。 中科院半導體研究所是目前我國唯一一個專門研制 GaN 基電子材料并給器件電路研制提供外延材料支撐的單位，所取得的成果已經可以根據用戶需求研制和生產不同要求的 GaN 基電子材料，并實現了批量供片。用所研制的材料合作研制成功了我國首支國產GaN基 HEMT 器件、首支國產 X 波段 GaN 基 HEMT 器件、首支SiC襯底上 X 波段 GaN 基單片集成電路（MMIC）等，強有力地支撐了 GaN 基功率器件和電路在我國的發展。

合作方式：技術開發、技術轉讓、技術服務。

產業化所需條件：高性能GaN基電子材料的產業化需要的硬件條件主要包括GaN基材料外延生長關鍵MOCVD設備、材料性能檢測分析設備、超凈廠房裝修等，建設規模可根據需要分階段實施，預計需要產業化資金 8000 萬元。

碳化硅材料外延關鍵技術研究

項目名稱：碳化硅材料外延關鍵技術研究

項目成熟階段：孵化期

概況： 當今世界，能源問題受到國際社會的普遍關注，節能減排已成為世界的共識。碳化硅器件作為新興第三代半導體器件的杰出代表，與傳統的硅器件相比較，功率損耗和裝置體積可減小 50%以上，工作電壓、工作頻率可以達到硅器件的10倍，電流密度達到硅器件的4倍，可靠性更高，節能優勢明顯。 碳化硅外延技術對于碳化硅器件性能的充分發揮具有決定性的作用，幾乎所有SiC功率器件的制備均是基于高質量SiC外延片，SiC外延材料的厚度、背景載流子濃度等參數直接決定著SiC器件的各項電學性能。高電壓應用的碳化硅器件對于外延材料的厚度、背景載流子濃度等參數提出新的要求。 因此，碳化硅材料外延技術的研究是非常有意義的。

技術特點： 本項目研究的碳化硅外延技術有其特殊性，不同于一般的半導體外延技術，SiC 外延生長技術在生長溫度、生長速率、缺陷和均勻性控制的具體指標要求以及實現途徑上都突出了電力系統應用的特點。目前，國際上已經形成了從碳化硅襯底材料、外延材料到器件制備的一整套產業體系。高質量 SiC 外延材料是 SiC 功率器件的基礎材料，目前的國內外電力電子器件需要的碳化硅外延材料的發展趨勢都是向大直徑、低缺陷、高度均勻性等方向發展。
專利情況：中科院半導體所 2 項。

市場分析及應用情況： 首先，該項目的進行將為發展電網用碳化硅電力電子器件提供最重要的技術支持。目前，幾乎所有的碳化硅器件都是在碳化硅外延層上制備的。高質量的碳化硅外延材料是研究制備電網用碳化硅電力電子器件的基礎。由于電網設備要求半導體器件具有高耐壓、大電流、低損耗、高頻、高溫和低過沖電壓等特殊性能，因此電力電子器件碳化硅外延材料的制備也面臨新的更高的要求。采用自主開發的碳化硅外延技術，將為充分發揮碳化硅材料的優勢，制備滿足電網系統需求的碳化硅器件創造必要的條件。 其次，完全自主知識產權、自主研發的碳化硅外延技術有助于打破目前的壟斷，降低降低成本， 為大規模應用創造條件。目前，美國的CREE公司約占市場上的碳化硅材料外延以及碳化硅器件銷售額的90%左右，主要面向1700V以下的中低電壓市場，對于高壓器件支持力度不大，并且依據其在技術上的先發優勢形成壟斷，價格遠遠高于成本。自主開展外延技術研究，將為針對性的開展中國電網需求的碳化硅器件提供最重要的技術支持，同時，打破 CREE 公司的壟斷，成本預計可以降低到現在的 20%-30%，滿足大規模的電網應用的成本條件。 該項目的研究將為以碳化硅材料為基礎的新一代電力電子技術的長足發展提供基礎保障。從長遠來看，有助于支撐未來可控、高效、堅強電網的發展，推動電網技術的進步。

合作方式：技術開發

寬禁帶半導體ZnO和AlN單晶生長技術

項目名稱：寬禁帶半導體ZnO和AlN單晶生長技術

項目成熟階段：生長期

概況：作為第三代半導體的核心基礎材料之一的ZnO 晶體既是一種寬禁帶半導體，又是一種具有優異光電性能和壓電性能的多功能晶體。中國科學院半導體研究所的科研人員研究掌握了一種生長高質量、 大尺寸 ZnO 單晶材料的新型技術方法-化學氣相傳輸法（CVT 法）。 III族氮化物 GaN、AlN 及其三元組合化合物是制造波長為 190nm-350nm 的發光器件和新型大功率電子器件的基礎材料。AlN具有高熱導率（3.4W/cmK），與高 Al 組份的 AlGaN 材料和 GaN 材料晶格匹配等優點，是一種研制新型大功率微波器件和短波長發光器件的極為理想的襯底材料。大尺寸 AlN 單晶材料的研制成功將加快深紫外發光器件、 新型大功率射頻器件的發展和在半導體照明、 醫療衛生、生物檢測、微波通信等領域的應用。

技術特點： 單晶片主要應用于：研究開發紫外、深紫外探測器和發光二極管；聲表面波器件；氣敏器件、壓電器件和大功率微波器件。

合作方式：技術轉讓或技術入股

產業化所需條件： ZnO單晶：多溫區氣相生長爐。 AlN單晶：中頻感應加熱或鎢絲網加熱高溫生長爐。

批量生產的 InP、GaSb、InAs 開盒即用單晶片

項目概況：InP、GaSb 單晶片主要作為襯底材料外延生長各種微波器件用微結構外延材料（如HEMT、HBT）、大功率激光器等的多量子阱材料，中長波紅外探測器材料等，其主要應用領域包括移動通信、衛星通信、導航、光纖通信、高效太陽能電池、夜視、大氣監測、國防技術等。

主要技術：2-4 英寸化合物半導體磷化銦(InP)、銻化鎵（GaSb）和砷化銦（InAs）單晶生長和晶片加工技術。

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材料牛編輯整理。