世界各國第三代半導體材料發(fā)展情況

　　由于第三代半導體材料具有非常顯著(zhù)的性能優(yōu)勢和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用，歐美日等發(fā)達國家和地區都把發(fā)展碳化硅半導體技術(shù)列入國家戰略，投入巨資支持發(fā)展。本文將對第三代半導體材料的定義、特性以及各國研發(fā)情況進(jìn)行詳細剖析。

　　一、第一代半導體材料概況

　　第一代半導體材料主要是指硅(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料。作為第一代半導體材料的鍺和硅，在國際信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的各類(lèi)分立器件和應用極為普遍的集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò )工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類(lèi)軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應用，硅芯片在人類(lèi)社會(huì )的每一個(gè)角落無(wú)不閃爍著(zhù)它的光輝。

　　二、第二代半導體材料概況

　　第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb);三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP;還有一些固溶體半導體，如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半導體(又稱(chēng)非晶態(tài)半導體)，如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導體;有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

　　第二代半導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。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還被廣泛應用于衛星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導航等領(lǐng)域。

　　三、第三代半導體材料

　　1、定義

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

　　2、應用領(lǐng)域

　　以SiC等為代表的第三代半導體材料，將被廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域，以其優(yōu)異的半導體性能在各個(gè)現代工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要革新作用，應用前景和市場(chǎng)潛力巨大。

　　隨著(zhù)SiC生產(chǎn)成本的降低，SiC半導體正在憑借其優(yōu)良的性能逐步取代Si半導體，打破Si基由于材料本身性能所遇到的瓶頸。無(wú)疑，它將引發(fā)一場(chǎng)類(lèi)似于蒸汽機一樣的產(chǎn)業(yè)革命：

　　1.SiC材料應用在高鐵領(lǐng)域，可節能20%以上，并減小電力系統體積;

　　2.SiC材料應用在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，可降低能耗20%;

　　3.SiC材料應用在家電領(lǐng)域，可節能50%;

　　4.SiC材料應用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率20%;

　　5.SiC材料應用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，可降低光電轉換損失25%以上;

　　6.SiC材料應用在工業(yè)電機領(lǐng)域，可節能30%-50%;

　　7.SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，可使電力損失降低60%，同時(shí)供電效率提高40%以上;

　　8.SiC材料應用在大數據領(lǐng)域，可幫助數據中心能耗大幅降低;

　　9.SiC材料應用在通信領(lǐng)域，可顯著(zhù)提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩定性;

　　10.SiC材料可使航空航天領(lǐng)域，可使設備的損耗減小30%-50%，工作頻率提高3倍，電感電容體積縮小3倍，散熱器重量大幅降低。

　　3、材料特性

　　與第一二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場(chǎng)，更高的熱導率，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(chēng)為寬禁帶半導體材料(禁帶寬度大于2.2電子伏特)，亦被稱(chēng)為高溫半導體材料。從目前第三代半導體材料和器件的研究來(lái)看，較為成熟的是SiC和GaN半導體材料，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。

　　相對于Si，SiC的優(yōu)點(diǎn)很多：有10倍的電場(chǎng)強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點(diǎn)，用SiC制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長(cháng)器件是目前已經(jīng)成熟的應用市場(chǎng)。42GHz頻率的SiCMESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統中，用SiC作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示屏的關(guān)鍵器件。

　　在碳化硅SiC中摻雜氮或磷可以形成n型半導體，而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成p型半導體。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量級可與金屬比擬的導電率。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?，但摻雜Al和B的碳化硅兩者的磁場(chǎng)行為有明顯區別。摻雜鋁的碳化硅和摻雜B的晶體硅一樣都是II型半導體，但摻雜硼的碳化硅則是I型半導體。

　　氮化鎵(GaN、Gallium nitride)是氮和鎵的化合物，此化合物結構類(lèi)似纖鋅礦，硬度很高。作為時(shí)下新興的半導體工藝技術(shù)，提供超越硅的多種優(yōu)勢。與硅器件相比，GaN在電源轉換效率和功率密度上實(shí)現了性能的飛躍。

　　GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，廣泛應用于功率因數校正(PFC)、軟開(kāi)關(guān)DC-DC等電源系統設計，以及電源適配器、光伏逆變器或太陽(yáng)能逆變器、服務(wù)器及通信電源等終端領(lǐng)域。

　　GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)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構。它在一個(gè)元胞中有4個(gè)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，都是高補償的。

　　4、代表性國家

　　如美國，2014年初，美國總統奧巴馬宣布成立“下一代功率電子技術(shù)國家制造業(yè)創(chuàng )新中心”，期望通過(guò)加強第三代半導體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，使美國占領(lǐng)下一代功率電子產(chǎn)業(yè)這個(gè)正出現的規模最大、發(fā)展最快的新興市場(chǎng)，并為美國創(chuàng )造出一大批高收入就業(yè)崗位。

　　日本也建立了“下一代功率半導體封裝技術(shù)開(kāi)發(fā)聯(lián)盟”，由大阪大學(xué)牽頭，協(xié)同羅姆、三菱電機、松下電器等18家從事SiC和GaN材料、器件以及應用技術(shù)開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的知名企業(yè)、大學(xué)和研究中心，共同開(kāi)發(fā)適應SiC和GaN等下一代功率半導體特點(diǎn)的先進(jìn)封裝技術(shù)。

　　歐洲則啟動(dòng)了產(chǎn)學(xué)研項目“LASTPOWER”，由意法半導體公司牽頭，協(xié)同來(lái)自意大利、德國等六個(gè)歐洲國家的私營(yíng)企業(yè)、大學(xué)和公共研究中心，聯(lián)合攻關(guān)SiC和GaN的關(guān)鍵技術(shù)。項目通過(guò)研發(fā)高性?xún)r(jià)比且高可靠性的SiC和GaN功率電子技術(shù)，使歐洲躋身于世界高能效功率芯片研究與商用的最前沿。

　　2015年5月，中國建立第三代半導體材料及應用聯(lián)合創(chuàng )新基地，搶占第三代半導體戰略新高地，還與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)簽訂戰略合作協(xié)議，標志著(zhù)該基地引進(jìn)國際優(yōu)勢創(chuàng )新資源、匯聚全球創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)人才取得新進(jìn)展。

　　未來(lái)，由半導體SiC材料制作成的功率器件將支撐起當今節能技術(shù)的發(fā)展趨向，成為節能設備最核心的部件，因此半導體SiC功率器件也被業(yè)界譽(yù)為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟的“核芯”。

　　5、我國第三代半導體材料研發(fā)情況

　　據了解，我國政府高度重視第三代半導體材料的研究與開(kāi)發(fā)，從2004年開(kāi)始對第三代半導體領(lǐng)域的研究進(jìn)行了部署，啟動(dòng)了一系列重大研究項目，2013年科技部在863計劃新材料技術(shù)領(lǐng)域項目征集指南中明確將第三代半導體材料及應用列為重要內容。

　　業(yè)界普遍看好SiC的市場(chǎng)發(fā)展前景，根據預測，至2022年其市場(chǎng)規模將達到40億美元，年平均復合增長(cháng)率可達到45%，屆時(shí)將催生巨大市場(chǎng)應用空間。

　　雖然前景看好，但我國在該領(lǐng)域的發(fā)展的最大瓶頸就是原材料。我國SiC原材料的質(zhì)量、制備問(wèn)題亟待破解。目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，大多數設備靠國外進(jìn)口。

　　國內開(kāi)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，阻礙國內第三代半導體研究進(jìn)展的還有原始創(chuàng )新問(wèn)題。國內新材料領(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(cháng)期“只投入，不產(chǎn)出”的現狀。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創(chuàng )新舉步維艱。

　　產(chǎn)業(yè)鏈下游的產(chǎn)出要以上游材料為基礎，而事實(shí)上我國對基礎的材料問(wèn)題的關(guān)注度不夠，一旦投入與支持的力度不夠，相關(guān)人才便很難被吸引，人才隊伍建設的問(wèn)題也將逐漸成為發(fā)展瓶頸。

　　不過(guò)，在首屆第三代半導體材料及應用發(fā)展國際研討會(huì )上，科技部副部長(cháng)曹健林曾表示，“今天的中國，在技術(shù)上已經(jīng)走到了世界前列，更何況中國已經(jīng)是世界上最大的經(jīng)濟體系，我們應該與全世界的同行共同來(lái)解決面臨的問(wèn)題，而且隨著(zhù)中國政府支持創(chuàng )新、鼓勵創(chuàng )新力度的加強，我們更相信中國有能力解決這些問(wèn)題，這不僅是為中國，也是為全世界科學(xué)技術(shù)工作做出巨大的推動(dòng)?！?/p>

　　此外，與會(huì )專(zhuān)家也認為，與在第一代、第二代半導體材料及集成電路產(chǎn)業(yè)上的多年落后、很難追趕國際先進(jìn)水平的形勢不同，我國在第三代半導體領(lǐng)域的研究工作一直緊跟世界前沿，工程技術(shù)水平和國際先進(jìn)水平差距不大，已經(jīng)發(fā)展到了從跟蹤模仿到并駕齊驅、進(jìn)而可能在部分領(lǐng)域獲得領(lǐng)先和比較優(yōu)勢，并且有機會(huì )實(shí)現超越。

　　所以，隨著(zhù)國家戰略層面支持力度的加大，特別是我國在節能減排和信息技術(shù)快速發(fā)展方面具備比較好的產(chǎn)業(yè)基礎，且具有迫切的市場(chǎng)需求，因此我國將有望集中優(yōu)勢力量一舉實(shí)現彎道超車(chē)，占位領(lǐng)跑。