从技术成熟度曲线看新型半导体材料

来源：SIMTAC(ID:simtac)，作者：水木子

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)