透過技術成熟度曲線看新型半導體材料

　　隨著硅基電力電子器件逐漸接近其物理極限值，新型半導體材料以更大的禁帶寬度、電子飽和漂移速度更快為特點，制造出的半導體器件具有優(yōu)異的光電性能、高速、高頻、大功率、耐高溫和高輻射等特征，在光電器件、微波器件和電力電子器件具有先天優(yōu)勢。

　　Gartner每年發(fā)布的技術成熟度曲線已經(jīng)成為科技和投資界一場盛事。Gartner長期致力于通過技術成熟度曲線研究，對不同領域的技術和趨勢做出評估，指導政府、科研企業(yè)、投資界在最佳時間采用這些技術或者切入該市場。該曲線按照技術觸發(fā)期、期望膨脹期、幻覺破滅谷底期、復蘇期、成熟期分為五個階段。并同時按照距離主流應用的時間分組為“少于2年”，“2-5年”，“5-10年”和“10年以上”分為4個級別。并用這5個階段和4個級別完成一個優(yōu)先權矩陣，用于評估投資該市場的風險。

　　2016技術成熟度曲線(來源：Gartner 2016年7月)

　　新型半導體材料主要是以砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的化合物半導體材料和以石墨烯為代表的碳基材料。了解每種新型材料及其應用在技術成熟度曲線的位置，對我們研發(fā)、投資切入有著極其重要的意義。

　　作為第二代半導體材料的代表，GaAs和傳統(tǒng)Si相比，有直接帶隙、光電特性優(yōu)越的特點，是良好的光電器件和射頻器件的材料。GaAs器件也曾被認為是計算機CPU芯片的理想材料，上世紀末一些公司曾有深入的研究并取得一些成果，但未能被市場充分應用。后來隨著半導體照明和3G手機的普及，GaAs作為發(fā)光器件和功率器件越來越多的被應用，并于本世紀出步入成熟期。

　　GaAS器件技術發(fā)展 (數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫)

　　作為第三代半導體材料的代表，寬禁帶材料SiC和GaN相對于前兩代半導體材料具有可見光波段的發(fā)光特性、高擊穿場強、更好的大功率特性、更加抗高溫和高輻射等優(yōu)勢，可以應用于光電器件、微波通信器件和電力電子器件。經(jīng)過多年的發(fā)展和政府推廣，GaN基的LED已經(jīng)發(fā)展成熟，但作為微波通信器件和電力電子器件，還遠遠沒有廣泛被應用。GaN基的微波通信器件具有優(yōu)于GaAs的高頻特性和微波特性，目前主要用于軍用領域，隨著未來5G的大面積鋪開，GaAS將不能滿足這種高頻特性需求，GaN的將會大規(guī)模部署于民用領域。作為電力電子器件，GaN相對于SiC具有相對低的成本優(yōu)勢，適合于高端的低電壓如白色家電、電動汽車等領域，但由于目前技術尚未成熟，成本導致了大規(guī)模應用尚需時日;而SiC功率器件經(jīng)過多年的發(fā)展，SiC基SBD器件技術已經(jīng)成熟，MOSFET性能突出，SiC的IGBT已經(jīng)有多家公司發(fā)布高性能樣品，混合或全SiC功率模塊已實現(xiàn)商業(yè)化，但大規(guī)模商用尚需時日。但在高端的如高速列車、風力發(fā)電以及智能電網(wǎng)已經(jīng)部分的開始使用SiC產(chǎn)品。GaN和SiC產(chǎn)品作為功率器件和高頻器件，在逐步步入成熟期;但在其他領域，如固態(tài)紫外器件、激光探測等領域，還有更長的路要走。

　　GaN的技術成熟度 (數(shù)據(jù)來源：IMS Research)

　　SiC的技術成熟度 (數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫整理)

　　碳基材料中的石墨烯具有比金屬還高的電子遷移率，所以導電性和導熱性都非常優(yōu)越，加之具有六邊形網(wǎng)狀的化學結構，其強度非常高，并且具有高比表面積和高透光性，可應用于工程復合材料、鋰離子電池電極、透明電極、觸摸屏、傳感器、半導體器件等。石墨烯產(chǎn)業(yè)化仍處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)鏈劃分仍不明確。目前石墨烯在半導體領域的應用還處于實驗室階段，很多國家和大公司都在布局石墨烯的研究;但在裝備及產(chǎn)業(yè)化應用技術方面已經(jīng)較為成熟，例如作為涂料添加劑。石墨烯在不同的應有領域也有不同的成熟度，但整體而言，石墨烯產(chǎn)業(yè)距離成熟和大規(guī)模商用仍有很長一段距離。

　　石墨烯技術應用成熟度曲線 (數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫)

　　Gartner每年除了技術成熟度曲線外，還會發(fā)布一個優(yōu)先權矩陣，用于比較候選技術的相對收益和成熟度，可用于確定新興技術的優(yōu)先次序以及投資回報和風險。

　　Gartner 的優(yōu)先權矩陣

　　作為下一代半導體材料，該領域吸引了許多國家研究機構和有實力的大公司投入。歐盟主導的的“石墨烯旗艦計劃(the Graphene Flagship)”不僅致力于石墨烯材料的研發(fā)，而且在融入“地平線2020發(fā)展計劃框架”后，進一步推動石墨烯及相關材料走出實驗室，實現(xiàn)在社會中的應用。新材料在《《中國制造2025》重點領域技術路線圖》中是十大重點領域之一，其中先進半導體材料和石墨烯材料分別被納入關鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料兩個發(fā)展重點。