第一代半導(dǎo)體材料是元素半導(dǎo)體的天下，而第二、三代半導(dǎo)體材料便成化合物的天下，這其中經(jīng)歷了什么故事？而我國憋足大招準(zhǔn)備在第三半導(dǎo)體材料方面彎道超車是否現(xiàn)實？

　　今天就來講講半導(dǎo)體材料的故事，從第一、二代走過，第三代半導(dǎo)體材料將講述怎樣的未來。

　　第一代半導(dǎo)體材料

　　20世紀(jì)50年代，鍺（Ge）站在光鮮的舞臺上，應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但鍺半導(dǎo)體器件在耐高溫與抗輻射方面卻存在大大的短板，所以在60年代便把主導(dǎo)地位讓給了硅。含量豐富、絕緣性好、提純結(jié)晶簡單，硅是至今應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)運算等領(lǐng)域。

　　第二代半導(dǎo)體材料

　　隨著科技需求的日益增加，硅傳輸速度慢、功能單一的不足便暴露了出來，于是化合物半導(dǎo)體材料應(yīng)運而生。20世紀(jì)90年代，搭上移動通信、光纖通信的順風(fēng)車，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料逐漸登上舞臺，其中以砷化鎵技術(shù)最為成熟。適用于制作高速、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，主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，比如衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS導(dǎo)航等。

　　第三代半導(dǎo)體材料

　　然而隨著半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，特別是特殊場合要求半導(dǎo)體能夠在高溫、強輻射、大功率等環(huán)境下依然堅挺，第一、二代半導(dǎo)體材料便無能為力，于是第三代半導(dǎo)體材料——寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2ev）成為被關(guān)注的重點，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAS）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN），較為成熟的是碳化硅和氮化鎵被稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁的研究尚屬起步階段。

　　第三代半導(dǎo)體材料的崛起還有另外一個契機，半導(dǎo)體材料在生產(chǎn)中的主要污染物有GaAs、Ga3+、In3+等，而隨著環(huán)保綠色概念的推廣，人們試圖找尋一種既能滿足產(chǎn)品需求，又能不污染環(huán)境的新型半導(dǎo)體材料，于是目光投向了有機半導(dǎo)體（在半導(dǎo)體材料中滲入有機材料如C和N），GaN、SiC成為新星。

　　如今，以第三代半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的新興技術(shù)正迅速崛起，搶占第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)的高地也愈發(fā)激烈。第三代半導(dǎo)體材料為何如此耀眼，又將掀起一場怎樣的技術(shù)革命呢？

　　材料特性

　　第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強的等優(yōu)點。第三代半導(dǎo)體材料還具有發(fā)光效率高、頻率高等特點，從而在一些藍(lán)、綠、紫光的發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等方面有著廣泛的應(yīng)用，且在躍遷時放出光子的能量高，因此會有較高的光發(fā)射效率，光子發(fā)射的頻率也較高。

　　下圖為第一、二、三代主要半導(dǎo)體材料的基本性能對比。

　　SiC是一種天然超晶格，又是一種典型的同志多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會導(dǎo)致不同的晶體結(jié)構(gòu)，因此SiC有著超過200種（目前已知）同質(zhì)多型族，最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。

　　4H-SiC與6H-SiC的帶隙是Si的3倍、是GaAs的兩倍；擊穿電場強度高于Si一個數(shù)量級；飽和電子漂移速度是Si的2.5倍。

　　GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點(約為1700℃)材料，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，原子體積大約為GaAs的一半。GaN受青睞的主要原因是它是寬禁帶與硅或者其他三五價器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高。與硅器件相比，GaN在電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度上實現(xiàn)了性能的飛躍。

　　AlN具有寬禁帶(6.2eV)，高熱導(dǎo)率(3.3W/cm？K)，且與AlGaN層晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配都更好，所以AlN是制作先進高功率發(fā)光器件(LED，LD)、紫外探測器以及高功率高頻電子器件的理想襯底材料。

　　金剛石是已知材料中硬度最高的，禁帶寬度大(5.5eV)，集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料。

應(yīng)用領(lǐng)域

　　第3代半導(dǎo)體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術(shù)的革命，無論是照明、家用電器、消費電子設(shè)備、新能源汽車、智能電網(wǎng)、還是軍工用品，都對第三代半導(dǎo)體材料有著巨大需求。主要應(yīng)用在半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器以及其他領(lǐng)域。

　　SiC

　　4H-SiC特別適用于微電子領(lǐng)域，用于制備高頻、高溫、大功率器件；6H-SiC特別適用于光電子領(lǐng)域，實現(xiàn)全彩顯示。隨著SiC生產(chǎn)成本的降低，SiC半導(dǎo)體正逐步取代Si，為Si遇到的瓶頸所擔(dān)憂的日子也將結(jié)束。

　　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。

　　GaN

　　以GaN等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正(PFC)、軟開關(guān)DC-DC等電源系統(tǒng)設(shè)計、電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務(wù)器及通信電源等終端領(lǐng)域，在高亮度LED以及無線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢。

競爭格局

　　SiC

　　SiC基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面，可實現(xiàn)碳化硅單晶拋光片的公司主要為美國的Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬蘭的Okmetic，德國的SiCrystal。

　　Cree與SiCrystal公司占據(jù)超過85%的市場份額。美國Cree被認(rèn)為是此領(lǐng)域的老大，其碳化硅單晶材料的技術(shù)水平代表著國際先進水平，專家預(yù)測在未來的幾年里Cree還將在碳化硅襯底市場上獨占鰲頭。

　　GaN

　　國外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，美國、日本和歐洲在氮化鎵體單晶材料研究方面都取得了一定的成果，其中以美國、日本的研究水平最高。部分公司已經(jīng)實現(xiàn)了氮化鎵體單晶襯底的商品化，技術(shù)趨于成熟，下一步的發(fā)展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料。

　　美國一直處于領(lǐng)先地位，先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生產(chǎn)出氮化鎵單晶襯底。

　　日本住友電工(SEI)和日立電線(HitachiCable)已經(jīng)開始批量生產(chǎn)氮化鎵襯底，日亞(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、東芝(Toshiba)等正開展了相關(guān)研究。

　　歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN與法國的Lumilog。

　　AlN

　　AlN單晶材料發(fā)，美國、日本的發(fā)展水平最高。美國的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制備AlN基片技術(shù)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的唯一單位。日本的在AlN方面的研究單位主要包括東京農(nóng)工大學(xué)、三重大學(xué)、NGK公司、名城大學(xué)，已經(jīng)有研究成果但還未形成成熟的產(chǎn)品。俄羅斯的約菲所、瑞典的林雪平大學(xué)在此AlN方面也有一定的研究水平，俄羅斯NitrideCrystal公司也已經(jīng)研制出直徑達(dá)到15mm的PVTAlN單晶樣品。

　　ZnO

　　在ZnO材料上日、美、韓等發(fā)達(dá)國家已投入巨資進行研發(fā)，日本已生長出直徑達(dá)2英寸的高質(zhì)量ZnO單晶。我國在此方面也有所建樹有，采用CVT法已生長出了直徑32mm和直徑45mm、4mm厚的ZnO單晶。

　　第三代半導(dǎo)體材料的大好前程

　　現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代半導(dǎo)體材料，但是第一代與第二代半導(dǎo)體材料仍在廣泛使用。為什么第二代的出現(xiàn)沒有取代第一代呢？第三代半導(dǎo)體是否可以全面取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料呢？

　　Si和化合物半導(dǎo)體是兩種互補的材料，化合物的某些性能優(yōu)點彌補了Si晶體的缺點，而Si晶體的生產(chǎn)工藝又明顯的有不可取代的優(yōu)勢，且兩者在應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的局限性，因此在半導(dǎo)體的應(yīng)用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優(yōu)點，從而生產(chǎn)出符合更高要求的產(chǎn)品，如高可靠、高速度的國防軍事產(chǎn)品。因此第一、二代是一種長期共同的狀態(tài)。

　　但是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，消費電子、照明、新能源汽車、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料。

　　我國在第三半導(dǎo)體材料上的起步比較晚，且相對國外的技術(shù)水平較低。這是一次彎道超車的機會，但是我國需要面對的困難和挑戰(zhàn)還是很多的。