半导体所发布科技成果汇编 GaN基电子材料等项目寻求技术合作

日前，中科院半导体所发布了科技成果汇编2017年版，材料牛摘录其中四个材料类成果如下：

高性能氮化镓基电子材料

项目名称：高性能氮化镓基电子材料

项目成熟阶段：成熟期

概况： 氮化镓（GaN）基电子材料是发展新一代GaN基微波功率器件和电力电子器件的基础，处于信息 产业链的高端，是各国竞相占领的新一代战略高技术制高点，也是推动和发展我国新一代信息产业的重要机遇。中科院半导体所是国内最早开展GaN 基电子材料研发的单位，并一直在该领域起着引领、 示范和带动作用。经过尽二十年的自主创新，攻克了2英寸和3英寸蓝宝石、碳化硅和硅衬底上GaN基电子材料外延生长的关键科学技术问题，在高阻GaN外延材料、高迁移率GaN外延材料、高迁移率AlGaN/GaN 异质结结构材料等方面形成了系统的自主知识产权，设计并研制出了多种具有特色的 AlGaN/GaN 异质结构电子材料，并实现了批量供片。所研制的材料非常适于研制生产高频、大功率 GaN 基功率器件、单片集成电路和电力电子器件，可广泛应用于手机基站、航空航天、卫星通信、雷 达、智能电网、电动汽车、高速列车等领域，具有重大应用前景和市场潜力。

技术特点： 该技术是采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在蓝宝石、碳化硅或者硅衬底上外延高性能 GaN 基电子材料，采用本技术研制的 GaN 基电子材料，生长速度快、材料质量好，重复性和均匀性高。采用该技术所研制的外延材料性能为国内领先、国际先进水平，部分指标参数为国际领先水平： 外延材料方块电阻：270-400Ω/之间可调； 方块电阻片内不均匀性：优于 3%； 室温二维电子气迁移率：大于 1800cm²/Vs； 外延材料尺寸：2英寸或3英寸，并可扩展4英寸或更大尺寸。

专利情况： 本技术所涉及到的材料结构和制作方法已申请并获得授权的国家发明专利 17 项，所取得的成果分中别通过中科院和工信部组织的专家鉴定，获工信部科技进步一等奖 1 项，北京市科学技术二等奖 1 项。

市场分析及应用情况：基于 GaN 基电子材料的微波功率器件和电力电子器件可以广泛应用于移动通信基站等新一代信息产业领域。据美国 Cree 公司估计，如果在新一代无线通讯基站中以 GaN 基功率器件替代目前常用的 Si LDMOS 管使之成为无线基站射频功放的主流功率放大器件，可减少高达20%的功耗，每年将节省60TWh的电能。基于以上原因，GaN 基外延材料近年来备受关注，市场需求量逐年递增。据 Yole Developpement 公司预测，到 2015 年，GaN 基电子材料在功率电子领域的需求量可突破 60 万片/年， 市场需求量巨大。目前销售的 3 英寸外延片市场价约 10 万元/片，通过产业化实现 3000 片/年的产能可实现 3 亿元的年产值。 中科院半导体研究所是目前我国唯一一个专门研制 GaN 基电子材料并给器件电路研制提供外延材料支撑的单位，所取得的成果已经可以根据用户需求研制和生产不同要求的 GaN 基电子材料，并实现了批量供片。用所研制的材料合作研制成功了我国首支国产GaN基 HEMT 器件、首支国产 X 波段 GaN 基 HEMT 器件、首支SiC衬底上 X 波段 GaN 基单片集成电路（MMIC）等，强有力地支撑了 GaN 基功率器件和电路在我国的发展。

合作方式：技术开发、技术转让、技术服务。

产业化所需条件：高性能GaN基电子材料的产业化需要的硬件条件主要包括GaN基材料外延生长关键MOCVD设备、材料性能检测分析设备、超净厂房装修等，建设规模可根据需要分阶段实施，预计需要产业化资金 8000 万元。

碳化硅材料外延关键技术研究

项目名称：碳化硅材料外延关键技术研究

项目成熟阶段：孵化期

概况： 当今世界，能源问题受到国际社会的普遍关注，节能减排已成为世界的共识。碳化硅器件作为新兴第三代半导体器件的杰出代表，与传统的硅器件相比较，功率损耗和装置体积可减小 50%以上，工作电压、工作频率可以达到硅器件的10倍，电流密度达到硅器件的4倍，可靠性更高，节能优势明显。 碳化硅外延技术对于碳化硅器件性能的充分发挥具有决定性的作用，几乎所有SiC功率器件的制备均是基于高质量SiC外延片，SiC外延材料的厚度、背景载流子浓度等参数直接决定着SiC器件的各项电学性能。高电压应用的碳化硅器件对于外延材料的厚度、背景载流子浓度等参数提出新的要求。 因此，碳化硅材料外延技术的研究是非常有意义的。

技术特点： 本项目研究的碳化硅外延技术有其特殊性，不同于一般的半导体外延技术，SiC 外延生长技术在生长温度、生长速率、缺陷和均匀性控制的具体指标要求以及实现途径上都突出了电力系统应用的特点。目前，国际上已经形成了从碳化硅衬底材料、外延材料到器件制备的一整套产业体系。高质量 SiC 外延材料是 SiC 功率器件的基础材料，目前的国内外电力电子器件需要的碳化硅外延材料的发展趋势都是向大直径、低缺陷、高度均匀性等方向发展。
专利情况：中科院半导体所 2 项。

市场分析及应用情况： 首先，该项目的进行将为发展电网用碳化硅电力电子器件提供最重要的技术支持。目前，几乎所有的碳化硅器件都是在碳化硅外延层上制备的。高质量的碳化硅外延材料是研究制备电网用碳化硅电力电子器件的基础。由于电网设备要求半导体器件具有高耐压、大电流、低损耗、高频、高温和低过冲电压等特殊性能，因此电力电子器件碳化硅外延材料的制备也面临新的更高的要求。采用自主开发的碳化硅外延技术，将为充分发挥碳化硅材料的优势，制备满足电网系统需求的碳化硅器件创造必要的条件。 其次，完全自主知识产权、自主研发的碳化硅外延技术有助于打破目前的垄断，降低降低成本， 为大规模应用创造条件。目前，美国的CREE公司约占市场上的碳化硅材料外延以及碳化硅器件销售额的90%左右，主要面向1700V以下的中低电压市场，对于高压器件支持力度不大，并且依据其在技术上的先发优势形成垄断，价格远远高于成本。自主开展外延技术研究，将为针对性的开展中国电网需求的碳化硅器件提供最重要的技术支持，同时，打破 CREE 公司的垄断，成本预计可以降低到现在的 20%-30%，满足大规模的电网应用的成本条件。 该项目的研究将为以碳化硅材料为基础的新一代电力电子技术的长足发展提供基础保障。从长远来看，有助于支撑未来可控、高效、坚强电网的发展，推动电网技术的进步。

合作方式：技术开发

宽禁带半导体ZnO和AlN单晶生长技术

项目名称：宽禁带半导体ZnO和AlN单晶生长技术

项目成熟阶段：生长期

概况：作为第三代半导体的核心基础材料之一的ZnO 晶体既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。中国科学院半导体研究所的科研人员研究掌握了一种生长高质量、 大尺寸 ZnO 单晶材料的新型技术方法-化学气相传输法（CVT 法）。 III族氮化物 GaN、AlN 及其三元组合化合物是制造波长为 190nm-350nm 的发光器件和新型大功率电子器件的基础材料。AlN具有高热导率（3.4W/cmK），与高 Al 组份的 AlGaN 材料和 GaN 材料晶格匹配等优点，是一种研制新型大功率微波器件和短波长发光器件的极为理想的衬底材料。大尺寸 AlN 单晶材料的研制成功将加快深紫外发光器件、 新型大功率射频器件的发展和在半导体照明、 医疗卫生、生物检测、微波通信等领域的应用。

技术特点： 单晶片主要应用于：研究开发紫外、深紫外探测器和发光二极管；声表面波器件；气敏器件、压电器件和大功率微波器件。

合作方式：技术转让或技术入股

产业化所需条件： ZnO单晶：多温区气相生长炉。 AlN单晶：中频感应加热或钨丝网加热高温生长炉。

批量生产的 InP、GaSb、InAs 开盒即用单晶片

项目概况：InP、GaSb 单晶片主要作为衬底材料外延生长各种微波器件用微结构外延材料（如HEMT、HBT）、大功率激光器等的多量子阱材料，中长波红外探测器材料等，其主要应用领域包括移动通信、卫星通信、导航、光纤通信、高效太阳能电池、夜视、大气监测、国防技术等。

主要技术：2-4 英寸化合物半导体磷化铟(InP)、锑化镓（GaSb）和砷化铟（InAs）单晶生长和晶片加工技术。

更多半导体所成果，请点击下载：中科院半导体所科技成果汇编（2017）

材料牛编辑整理。