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(guó)憋足大招準(zhǔn)備在第三半導(dǎo)體材料方面彎道超車(chē)是否現(xiàn)實(shí),？

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

　　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(tái)上,，應(yīng)用于低壓、低頻,、中功率晶體管以及光電探測(cè)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(jiǎn)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(yùn)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(lái),，于是化合物半導(dǎo)體材料應(yīng)運(yùn)而生,。20世紀(jì)90年代，搭上移動(dòng)通信,、光纖通信的順風(fēng)車(chē),，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(tái),，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(dòng)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(kuò)大,，特別是特殊場(chǎng)合要求半導(dǎo)體能夠在高溫,、強(qiáng)輻射、大功率等環(huán)境下依然堅(jiān)挺,，第一、二代半導(dǎo)體材料便無(wú)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(diǎn),，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(chēng)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(gè)契機(jī)，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?cè)噲D找尋一種既能滿(mǎn)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(jī)半導(dǎo)體（在半導(dǎo)體材料中滲入有機(jī)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(chǎng)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(chǎng)高,、熱導(dǎo)率高,、電子飽和速率高及抗輻射能力強(qiáng)的等優(yōu)點(diǎn)。第三代半導(dǎo)體材料還具有發(fā)光效率高,、頻率高等特點(diǎn),，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(shí)放出光子的能量高,，因此會(huì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致不同的晶體結(jié)構(gòu),，因此SiC有著超過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度高于Si一個(gè)數(shù)量級(jí),；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(jiān)硬的高熔點(diǎn)(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(jià)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(shí)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(jìn)高功率發(fā)光器件(LED，LD),、紫外探測(cè)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(wú)論是照明,、家用電器、消費(fèi)電子設(shè)備,、新能源汽車(chē),、智能電網(wǎng)、還是軍工用品,，都對(duì)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(cè)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(shí)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(yōu)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(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。

　　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(kāi)關(guān)DC-DC等電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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，在高亮度LED以及無(wú)線(xiàn)基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),。

競(jìng)爭(zhēng)格局

　　SiC

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

　　Cree與SiCrystal公司占據(jù)超過(guò)85%的市場(chǎng)份額,。美國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平,，專(zhuān)家預(yù)測(cè)在未來(lái)的幾年里Cree還將在碳化硅襯底市場(chǎng)上獨(dú)占鰲頭,。

　　GaN

　　國(guó)外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，美國(guó),、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(guó)、日本的研究水平最高,。部分公司已經(jīng)實(shí)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(guó)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(xiàn)(HitachiCable)已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)氮化鎵襯底,，日亞(Nichia)、Matsushita,、索尼(Sony),、東芝(Toshiba)等正開(kāi)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(guó)的Lumilog,。

　　AlN

　　AlN單晶材料發(fā),，美國(guó)、日本的發(fā)展水平最高,。美國(guó)的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制備AlN基片技術(shù),，并實(shí)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(guó)家已投入巨資進(jìn)行研發(fā),，日本已生長(zhǎng)出直徑達(dá)2英寸的高質(zhì)量ZnO單晶。我國(guó)在此方面也有所建樹(shù)有,，采用CVT法已生長(zhǎng)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(méi)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(bǔ)的材料,，化合物的某些性能優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了Si晶體的缺點(diǎn)，而Si晶體的生產(chǎn)工藝又明顯的有不可取代的優(yōu)勢(shì),，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(diǎn),，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(guó)防軍事產(chǎn)品。因此第一,、二代是一種長(zhǎng)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(gè)領(lǐng)域,，消費(fèi)電子,、照明、新能源汽車(chē),、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(chǎng)看好的同時(shí)，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(guó)在第三半導(dǎo)體材料上的起步比較晚，且相對(duì)國(guó)外的技術(shù)水平較低,。這是一次彎道超車(chē)的機(jī)會(huì),，但是我國(guó)需要面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)還是很多的。