半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，20世紀(jì)30年代才被科學(xué)界所認(rèn)可。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料也從一代、二代發(fā)展到現(xiàn)在的第三代，本文著重分析第三代半導(dǎo)體材料的特性、應(yīng)用，以及我國第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展面臨的機遇和挑戰(zhàn)。

作為一種20世紀(jì)30年代才被科學(xué)界所認(rèn)可的材料—半導(dǎo)體，其實它的定義也很簡單。眾所周知，物資存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等，其中導(dǎo)電性差或不好的材料，稱為絕緣體；反之，導(dǎo)電性好的稱為導(dǎo)體。因此，半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。

半導(dǎo)體的基本化學(xué)特征在于原子間存在飽和的共價鍵。作為共價鍵特征的典型是在晶格結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為四面體結(jié)構(gòu),所以典型的半導(dǎo)體材料具有金剛石或閃鋅礦(ZnS)的結(jié)構(gòu)。

由于地球的礦藏多半是化合物，所以最早得到利用的半導(dǎo)體材料都是化合物,例如方鉛礦(PbS)很早就用于無線電檢波，氧化亞銅(Cu2O)用作固體整流器，閃鋅礦(ZnS)是熟知的固體發(fā)光材料，碳化硅(SiC)的整流檢波作用也較早被利用。

硒(Se)是最早發(fā)現(xiàn)并被利用的元素半導(dǎo)體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。元素半導(dǎo)體鍺（Ge）放大作用的發(fā)現(xiàn)開辟了半導(dǎo)體歷史新的一頁，從此電子設(shè)備開始實現(xiàn)晶體管化。

中國的半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)是從1957年首次制備出高純度(99.999999%～99.9999999%) 的鍺開始的。采用元素半導(dǎo)體硅（Si）以后，不僅使晶體管的類型和品種增加、性能提高，而且迎來了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時代。以砷化鎵(GaAs)為代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的發(fā)現(xiàn)促進了微波器件和光電器件的迅速發(fā)展。

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料也在逐漸發(fā)生變化，迄今為止，半導(dǎo)體材料大致經(jīng)歷了三代變革?，F(xiàn)在跟隨芯師爺，一起去看看第一代半導(dǎo)體材料。

1、第一代半導(dǎo)體材料

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）元素半導(dǎo)體。它們是半導(dǎo)體分立器件、集成電路和太陽能電池的最基礎(chǔ)材料。

金屬硅塊

幾十年來，硅芯片在電子信息工程、計算機、手機、電視、航天航空、新能源以及各類軍事設(shè)施中得到極為廣泛的應(yīng)用，在人類社會的每一個角落無不閃爍著它的光輝。

2、第二代半導(dǎo)體材料

第二代半導(dǎo)體材料是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP），以及三元化合物半導(dǎo)體材料，如鋁砷化鎵（GaAsAl）、磷砷化鎵（GaAsP）等。還有一些固溶體半導(dǎo)體材料，如鍺硅（Ge-Si）、砷化鎵-磷化鎵（GaAs-GaP）等；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體）材料，如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體等；有機半導(dǎo)體材料，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。隨著世界互聯(lián)網(wǎng)的興起，這些器件還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動通信、光通信和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域。

3、第三代半導(dǎo)體材料

第三代半導(dǎo)體材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（禁帶寬度Eg>2.3eV）的半導(dǎo)體材料。

與第一二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦被稱為高溫半導(dǎo)體材料。

SiC 正憑借其優(yōu)良的性能，在許多領(lǐng)域可以取代硅，打破硅基材料本身性能造成的許多局限性。SiC 將被廣泛應(yīng)用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域，以其優(yōu)異的半導(dǎo)體性能在各個現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮其重要的革新作用，應(yīng)用前景巨大。

氮化鎵（GaN）是極其穩(wěn)定的化合物，又是堅硬和高熔點材料，熔點為1700℃。GaN 具有高的電離度，在三五族化合物中是最高的（0.5 或0.43）。在大氣壓下，GaN 晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，因為其硬度大，所以它又是一種良好的涂層保護材料。GaN 具有出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度。

從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，較為成熟的是SiC和GaN半導(dǎo)體材料，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）——并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。

碳化硅（SiC）身世

碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結(jié)可得到堅硬的陶瓷狀碳化硅顆粒，并可將之用于諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中，在諸如發(fā)光二極管、早期的無線電探測器之類的電子器件制造中也有使用。如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導(dǎo)體。通過Lely法能生長出大塊的碳化硅單晶。

結(jié)構(gòu)和特性

碳化硅存在著約250種結(jié)晶形態(tài)。由于碳化硅擁有一系列相似晶體結(jié)構(gòu)的同質(zhì)多型體使得碳化硅具有同質(zhì)多晶的特點。這些多形體的晶體結(jié)構(gòu)可被視為將特定幾種二維結(jié)構(gòu)以不同順序?qū)訝疃逊e后得到的，因此這些多形體具有相同的化學(xué)組成和相同的二維結(jié)構(gòu)，但它們的三維結(jié)構(gòu)不同。

在碳化硅中摻雜氮或磷可以形成n型半導(dǎo)體，摻雜鋁、硼、鎵或鈹可以形成p型半導(dǎo)體。在碳化硅中大量摻雜硼、鋁或氮可以使摻雜后的碳化硅具備數(shù)量級可與金屬比擬的導(dǎo)電率。摻雜Al的3C-SiC、摻雜B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的溫度下?lián)碛谐瑢?dǎo)性，但摻雜Al和B的碳化硅兩者的磁場行為有明顯區(qū)別。摻雜鋁的碳化硅和摻雜B的晶體硅一樣都是II型半導(dǎo)體,但摻雜硼的碳化硅則是I型半導(dǎo)體。

缺點

單晶材料缺陷多，至今材料質(zhì)量還未真正解決；設(shè)計和工藝控制技術(shù)比較困難；工藝裝置特殊要求，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，例離子注入,外延設(shè)備，激光曝光光刻機等；資金投入很大，運行費用和開發(fā)費用昂貴,一般很難開展研發(fā)工作。

氮化鎵（GaN）身世

氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器*的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。

結(jié)構(gòu)和特性

GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料。

GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素，未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)摹?/p>

缺點

一方面，在理論上由于其能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其中載流子的有效質(zhì)量較大，輸運性質(zhì)較差，則低電場遷移率低，高頻性能差。另一方面，現(xiàn)在用異質(zhì)外延（以藍寶石和SiC作為襯底）技術(shù)生長出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙于GaN器件的發(fā)展），如位錯密度達到了108~1010/cm2（雖然藍寶石和SiC與GaN的晶體結(jié)構(gòu)相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達1017cm-3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關(guān)），并呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電。

特性比對

硅、碳化硅、氮化鎵物理性質(zhì)比較

應(yīng)用解析

兩者同為化合物半導(dǎo)體，有相似又有不同。那么具體到應(yīng)用層面會怎樣劃分？下圖解釋了從功率和頻率兩個參數(shù)來如何劃分兩者的應(yīng)用。

縱軸為功率，橫軸為頻率

4、第三代半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用領(lǐng)域

作為一類新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域擁有前兩代半導(dǎo)體材料無法比擬的優(yōu)點：如具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機”。

此外，第三代半導(dǎo)體材料還具有廣泛的基礎(chǔ)性和重要的引領(lǐng)性。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料，也是最具有發(fā)展前景的兩種材料。

從應(yīng)用范圍來說，第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域還具有學(xué)科交叉性強、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性大等特點。在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，是支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點新材料。

電力電子領(lǐng)域

SiC、GaN的電力電子器件市場在2016年正式形成。初步估計，2016年SiC電力電子市場規(guī)模在2.1億-2.4億美元之間，而GaN電力電子市場規(guī)模約在2000萬-3000萬美元之間，兩者合計達2.3億-2.7億美元。而據(jù)IC insights數(shù)據(jù)，2016年全球功率半導(dǎo)體銷售金額約124億美元，意味著第三代半導(dǎo)體功率器件2016年的市場占有率已經(jīng)達到2 %左右。

數(shù)據(jù)來源：Yole，2016

SiC、GaN在功率電子市場的前景看好。據(jù)Yole最新報告數(shù)據(jù)顯示，2021年全球SiC市場規(guī)模將上漲到5.5億美元，2016-2021年的復(fù)合年增長率（CAGR）將達到19%。而Yole同時預(yù)測，GaN功率器件在未來五年（2016-2021年）復(fù)合年增率將達到86%，市場將在2021年達到3億美元。當(dāng)然，SiC、GaN替代Si產(chǎn)品仍然為時甚早。據(jù)Lux研究公司數(shù)據(jù)，預(yù)計至2024年，第三代半導(dǎo)體功率電子的滲透率將達到13%，而Si產(chǎn)品仍將占據(jù)剩下的87%的市場份額。

微波射頻領(lǐng)域

據(jù)Yole預(yù)測，2016-2020年GaN射頻器件市場將擴大至目前的2倍，市場復(fù)合年增長率（CAGR）將達到4%；2020年末，市場規(guī)模將擴大至目前的2.5倍。2015年，受益于中國LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用，帶來無線基礎(chǔ)設(shè)施市場的大幅增長，有力地刺激了GaN微波射頻產(chǎn)業(yè)。2015年末，整個GaN射頻市場規(guī)模接近3億美元。2017-2018年，在無線基礎(chǔ)設(shè)施及國防應(yīng)用市場需求增長的推動下，GaN市場會進一步放大，但增速會較2015年有所放緩。2019-2020年，5G網(wǎng)絡(luò)的實施將接棒推動GaN市場增長。未來10年，GaN市場將有望超過30億美元。

光電領(lǐng)域

隨著技術(shù)進步，半導(dǎo)體照明的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，市場規(guī)模不斷增長。據(jù)美國產(chǎn)業(yè)研究機構(gòu)Strategies Unlimited 2016年發(fā)布的報告顯示，2015年，LED器件營收約147億美元，預(yù)計2016年約152億美元；2020年超過180億美元。LED器件照明應(yīng)用仍是主流應(yīng)用，約占30%以上，并穩(wěn)步增長；LED在汽車以及農(nóng)業(yè)等應(yīng)用逐年擴大。

近年來，LED照明產(chǎn)品的市場滲透率快速增長，特別是在新增銷售量的滲透率有較快增長，但在已安裝市場上，由于基數(shù)龐大，LED目前的（在用量）市場滲透率仍不高。IHS數(shù)據(jù)顯示，2015年全球LED燈安裝數(shù)量在整體照明產(chǎn)品在用量中的滲透率僅為6%，預(yù)計2022年將接近40%，LED全球照明市場仍具較大增長潛力。

數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited

5、我國第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展面臨的機遇挑戰(zhàn)

在巨大優(yōu)勢和光明前景的刺激下，目前全球各國均在加大馬力布局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，但我國在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化方面進度還比較緩慢，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)亟待突破。近日，投資50億元的聚力成半導(dǎo)體（重慶）有限公司奠基，該項目有望突破我國第三代半導(dǎo)體器件在關(guān)鍵材料和制作技術(shù)方面的瓶頸。

“最大的瓶頸是原材料?！敝锌圃喊雽?dǎo)體研究所研究員、中國電子學(xué)會半導(dǎo)體與集成技術(shù)分會秘書長王曉亮認(rèn)為，我國原材料的質(zhì)量、制備問題亟待破解。此外，湖南大學(xué)應(yīng)用物理系副教授曾健平也表示，目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，大多數(shù)設(shè)備靠國外進口。

“國內(nèi)開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進展的重要因素是原始創(chuàng)新問題?！眹野雽?dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟一專家表示，國內(nèi)新材料領(lǐng)域的科研院所和相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。

原始創(chuàng)新即從無到有的創(chuàng)新過程，其特點是投入大、周期長。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。然而生長SiC晶體難度很大，雖然經(jīng)過了數(shù)十年的研究發(fā)展，到目前為止仍只有美國的Cree公司、德國的SiCrystal公司和日本的新日鐵公司等少數(shù)幾家公司掌握了SiC的生長技術(shù)，能夠生產(chǎn)出較好的產(chǎn)品，但離真正的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也還有較大的距離。因此，以第三代半導(dǎo)體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱，是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大桎梏。

“第三代半導(dǎo)體對我們國家未來產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生非常大的影響，其應(yīng)用技術(shù)的研究比較關(guān)鍵，若相關(guān)配套技術(shù)及產(chǎn)品跟不上，第三代半導(dǎo)體的材料及器件的作用和效率可能會發(fā)揮不好，所以要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展?！敝信d通訊副總裁晏文德表示。

北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)中心沈波教授表示，當(dāng)前我國發(fā)展第三代半導(dǎo)體面臨的機遇非常好，因為過去十年，在半導(dǎo)體照明的驅(qū)動下，氮化鎵無論是材料和器件成熟度都已經(jīng)大大提高，但第三代半導(dǎo)體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長的路要走，市場和產(chǎn)業(yè)剛剛啟動，我們還面臨巨大挑戰(zhàn)，必須共同努力。