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            微波等離子去膠機在第三代寬禁帶半導體的應用

            2016-12-02

            來源: SITRI產業研究

            導讀: 根據第三代半導體的發展情況,其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域,每個領域產業成熟度各不相同。在前沿研究領域,寬禁帶半導體還處于實驗室研發階段。

            注:Alpha Plasma微波等離子清洗/去膠設備已經在相應寬禁帶半導體研究生產單位使用,并為相關工藝提供技術支持。


            第三代寬禁帶半導體

              寬禁帶半導體(WBS)是自第一代元素半導體材料(Si)和第二代化合物半導體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發展起來的第三代半導體材料,禁帶寬度大于2eV,這類材料主要包括SiC(碳化硅)、C-BN(立方氮化硼)、GaN(氮化鎵、)AlN(氮化鋁)、ZnSe(硒化鋅)以及金剛石等。

              發展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN,其中SiC的發展更早一些,碳化硅SiC、氮化鎵GaN、硅Si以及砷化鎵GaAs的一些參數如下圖所示:

            SiC和GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs,相應的本征載流子濃度小于Si和GaAs,寬禁帶半導體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大于Si和GaAs。

            第三代寬禁帶半導體應用

              根據第三代半導體的發展情況,其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域,每個領域產業成熟度各不相同。在前沿研究領域,寬禁帶半導體還處于實驗室研發階段。

            半導體照明

              藍光LED在用襯底材料來劃分技術路線。GaN基半導體,襯底材料的選擇就只剩下藍寶石((Al2O3)、SiC、Si、GaN以及AlN。后兩者產業化為時尚遠,我們討論下前三者??偟膩碚f,三種材料各有千秋。藍寶石應用最廣,成本較低,不過導電性差、熱導率低;單晶硅襯底尺寸最大、成本最低,但先天巨大的晶格失配與熱失配;碳化硅性能優越,但襯底本身的制備技術拉后腿。

                  全球LED襯底市場分析:普萊西、晶能光電和三星主要使用硅襯底,但是技術起步晚,目前產業規模較小,市場占有率低;Cree公司主要采用碳化硅襯底,但是由于其成本問題,加上專利壟斷,幾乎沒有其他企業涉足。中村修二領導的Soraa公司據知正在采用氮化鎵(GaN)襯底,這是良好的LED襯底材料,但是比藍寶石更昂貴,并且生產尺寸也受到限制,也不能夠被大量采用。因此,藍寶石襯底得以迅速發展,占據主流市場。

              根據IHS最新研究情報顯示,在2015年全球96.3%的LED生產均采用藍寶石襯底,預計到2020年該數據將會上升到96.7%。2015年主要得益于價格下跌,藍寶石應用市場才得以提振。尤其是4英寸晶圓在2015年占據了55%的市場份額,其中9.9%是被三星、首爾半導體、晶元光電等大廠分割;6英寸晶圓產能也持續增長,主要以歐司朗、Lumileds公司、LG化學和科銳等廠商為首選。

            功率器件

                  許多公司開始研發SiC MOSFET,包括科銳(Cree)旗下Wolfspeed(被Infineon收購)、羅姆、意法半導體、三菱和通用電氣。與此相反,進入GaN市場中的玩家較少,起步較晚。

                  2015年,SiC功率半導體市場(包括二極管和晶體管)規模約為2億美元,到2021年,其市場規模預計將超過5.5億美元,這期間的復合年均增長率預計將達19%。毫無懸念,消耗大量二極管的功率因素校正(PFC)電源市場,仍將是SiC功率半導體最主要的應用。

                  目前市場上主要GaN產品是應用于高功率密度DC/DC電源的40-200伏增強性高電子遷移率異質節晶體管(HEMT)和600伏HEMT混合串聯開關,國外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國GaN相關企業有IDM公司中航微電子、蘇州能訊,材料廠商中稼半導體、三安光電、杭州士蘭微等公司。


            微波器件

              微波器件方面,GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。在未來,GaN微波器件有望用于4G~5G移動通訊基站等民用領域。

              市調公司預測,2016~2020年GaN射頻器件市場將擴大至目前的2倍,市場復合年增長率(CAGR)將達到4%;2020年末,市場規模將擴大至目前的2.5倍。

              GaN在國防領域的應用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產品中得到應用,充分體現其在提高功率、縮小體積和簡化設計方面的巨大優勢。

            激光器和探測器

              在激光器和探測器應用領域,GaN激光器已經成功用于藍光DVD,藍光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領域,藍色激光器和綠光激光器產值約為2億美元,如果技術瓶頸得到突破,潛在產值將達到500億美元。2014年諾貝爾獎獲得者中村修二認為下一代照明技術應該是基于GaN激光器的“激光照明”,有望將照明和顯示融合發展。目前,只有國外的日本日亞公司(Nichia)、和德國的歐司朗(Osram)等公司能夠提供商品化的GaN基激光器。

              由于氮化鎵優異的光電特性和耐輻射性能,還可以用作高能射線探測器。GaN基紫外探測器可用于導彈預警、衛星秘密通信、各種環境監測、化學生物探測等領域,例如核輻射探測器,X射線成像儀等,但尚未實現產業化。



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