技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的永恒動(dòng)力。當(dāng)前，在科技強(qiáng)國(guó)的背景下，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料憑借著其優(yōu)異的特性得到了世界各國(guó)的高度重視。
三、第三代半導(dǎo)體材料
由于第三代半導(dǎo)體材料具有非常顯著的性能優(yōu)勢(shì)和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都把發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)列入國(guó)家戰(zhàn)略，投入巨資支持發(fā)展。本文將對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的定義、特性以及各國(guó)研發(fā)情況進(jìn)行詳細(xì)剖析。
一、第一代半導(dǎo)體材料概況
第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅(Si)、鍺元素(Ge)半導(dǎo)體材料。作為第一代半導(dǎo)體材料的鍺和硅，在國(guó)際信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的各類(lèi)分立器件和應(yīng)用極為普遍的集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機(jī)、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(yīng)用，硅芯片在人類(lèi)社會(huì)的每一個(gè)角落無(wú)不閃爍著它的光輝。
二、第二代半導(dǎo)體材料概況
第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵(GaAs)、銻化銦（InSb）；三元化合物半導(dǎo)體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導(dǎo)體(又稱(chēng)非晶態(tài)半導(dǎo)體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體；有機(jī)半導(dǎo)體，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。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。
三、第三代半導(dǎo)體材料
1、定義
第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料。
2、應(yīng)用領(lǐng)域
以SiC等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，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(gè)現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要革新作用，應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力巨大。
隨著SiC生產(chǎn)成本的降低，SiC半導(dǎo)體正在憑借其優(yōu)良的性能逐步取代Si半導(dǎo)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(jī)一樣的產(chǎn)業(yè)革命：
1.SiC材料應(yīng)用在高鐵領(lǐng)域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積；
2.SiC材料應(yīng)用在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，可降低能耗20%；
3.SiC材料應(yīng)用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能50%；
4.SiC材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率20%；
5.SiC材料應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上；
6.SiC材料應(yīng)用在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，可節(jié)能30%-50%；
7.SiC材料應(yīng)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(yīng)用在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低；
9.SiC材料應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可顯著提高信號(hào)的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性；
10.SiC材料可使航空航天領(lǐng)域，可使設(shè)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(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(chǎng)，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(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2電子伏特），亦被稱(chēng)為高溫半導(dǎo)體材料。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來(lái)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(chēng)為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。
相對(duì)于Si，SiC的優(yōu)點(diǎn)很多：有10倍的電場(chǎng)強(qiáng)度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因?yàn)檫@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(zhǎng)器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場(chǎng)。42GHz頻率的SiCMESFET用在軍用相控陣?yán)走_(dá)、通信廣播系統(tǒng)中，用SiC作為襯底的高亮度藍(lán)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(dǎo)體，而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成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(jí)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(chǎng)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。
氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，此化合物結(jié)構(gòu)類(lèi)似纖鋅礦，硬度很高。作為時(shí)下新興的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，提供超越硅的多種優(yōu)勢(shì)。與硅器件相比，GaN在電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度上實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于功率因數(shù)校正(PFC)、軟開(kāi)關(guān)DC-DC等電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)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(jié)構(gòu)。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?yàn)槠溆捕雀?，又是一種良好的涂層保護(hù)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(bǔ)償?shù)摹?br />
4、代表性國(guó)家
從國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)角度看，美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家已將第三代半導(dǎo)體材料列入國(guó)家計(jì)劃，并展開(kāi)全面戰(zhàn)略部署，欲搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)。
如美國(guó)，2014年初，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布成立“下一代功率電子技術(shù)國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，期望通過(guò)加強(qiáng)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，使美國(guó)占領(lǐng)下一代功率電子產(chǎn)業(yè)這個(gè)正出現(xiàn)的規(guī)模最大、發(fā)展最快的新興市場(chǎng)，并為美國(guó)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(dǎo)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(jī)、松下電器等18家從事SiC和GaN材料、器件以及應(yīng)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(yīng)SiC和GaN等下一代功率半導(dǎo)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(xiàng)目“LASTPOWER”，由意法半導(dǎo)體公司牽頭，協(xié)同來(lái)自意大利、德國(guó)等六個(gè)歐洲國(guó)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(xiàng)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(guó)建立第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地，搶占第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)略新高地，還與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，標(biāo)志著該基地引進(jìn)國(guó)際優(yōu)勢(shì)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(dǎo)體SiC材料制作成的功率器件將支撐起當(dāng)今節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨向，成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件，因此半導(dǎo)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(jì)的“核芯”。
5、我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料研發(fā)情況
據(jù)了解，我國(guó)政府高度重視第三代半導(dǎo)體材料的研究與開(kāi)發(fā)，從2004年開(kāi)始對(duì)第三代半導(dǎo)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(xiàng)目，2013年科技部在863計(jì)劃新材料技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目征集指南中明確將第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用列為重要內(nèi)容。
業(yè)界普遍看好SiC的市場(chǎng)發(fā)展前景，根據(jù)預(yù)測(cè)，至2022年其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到40億美元，年平均復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)到45％，屆時(shí)將催生巨大市場(chǎng)應(yīng)用空間。
雖然前景看好，但我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展的最大瓶頸就是原材料。我國(guó)SiC原材料的質(zhì)量、制備問(wèn)題亟待破解。目前我國(guó)對(duì)SiC晶元的制備尚為空缺，大多數(shù)設(shè)備靠國(guó)外進(jìn)口。
國(guó)內(nèi)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國(guó)外相比水平較低，阻礙國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的還有原始創(chuàng)新問(wèn)題。國(guó)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(zhǎng)期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。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。
產(chǎn)業(yè)鏈下游的產(chǎn)出要以上游材料為基礎(chǔ)，而事實(shí)上我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)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(duì)伍建設(shè)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(dǎo)體材料及應(yīng)用發(fā)展國(guó)際研討會(huì)上，科技部副部長(zhǎng)曹健林曾表示，“今天的中國(guó)，在技術(shù)上已經(jīng)走到了世界前列，更何況中國(guó)已經(jīng)是世界上最大的經(jīng)濟(jì)體系，我們應(yīng)該與全世界的同行共同來(lái)解決面臨的問(wèn)題，而且隨著中國(guó)政府支持創(chuàng)新、鼓勵(lì)創(chuàng)新力度的加強(qiáng)，我們更相信中國(guó)有能力解決這些問(wèn)題，這不僅是為中國(guó)，也是為全世界科學(xué)技術(shù)工作做出巨大的推動(dòng)。”
此外，與會(huì)專(zhuān)家也認(rèn)為，與在第一代、第二代半導(dǎo)體材料及集成電路產(chǎn)業(yè)上的多年落后、很難追趕國(guó)際先進(jìn)水平的形勢(shì)不同，我國(guó)在第三代半導(dǎo)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(guó)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(qū)、進(jìn)而可能在部分領(lǐng)域獲得領(lǐng)先和比較優(yōu)勢(shì)，并且有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)超越。
所以，隨著國(guó)家戰(zhàn)略層面支持力度的加大，特別是我國(guó)在節(jié)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(chǔ)，且具有迫切的市場(chǎng)需求，因此我國(guó)將有望集中優(yōu)勢(shì)力量一舉實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)，占位領(lǐng)跑。
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