一、碳化硅的前世今生

　　碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定,、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小,、耐磨性能好,，除作磨料用外，還有很多其他用途,，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁,，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料,，耐熱震,、體積小、重量輕而強(qiáng)度高,，節(jié)能效果好,。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度,，并便于控制化學(xué)成分,，提高鋼的質(zhì)量。此外,，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒,。

　　碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級,，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,，是一種半導(dǎo)體,，高溫時能抗氧化。

　　碳化硅歷程表

　　1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅

　　1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生

　　1955年 理論和技術(shù)上重大突破,，LELY提出生長高品質(zhì)碳化概念,，從此將SiC作為重要的電子材料

　　1958年 在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

　　1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進(jìn)行研究,。到1978年首次采用“LELY改進(jìn)技術(shù)”的晶粒提純生長方法

　　1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線,，供應(yīng)商開始提供商品化的碳化硅基。

　　2001年德國Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品,，美國Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品,。在日本，羅姆,、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管,。

　　2013年9月29日，碳化硅半導(dǎo)體國際學(xué)會“ICSCRM 2013”召開,，24個國家的半導(dǎo)體企業(yè),、科研院校等136家單位與會，人數(shù)達(dá)到794人次,，為歷年來之最,。國際知名的半導(dǎo)體器件廠商，如科銳,、三菱,、羅姆、英飛凌,、飛兆等在會議上均展示出了最新量產(chǎn)化的碳化硅器件,。

　　到現(xiàn)在已經(jīng)有很多廠商生產(chǎn)碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司,、Infineon公司,、Rohm公司。

　　二,、碳化硅器件的優(yōu)勢特性

　　碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料,，世界各國對SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展,，美國,、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件,。

　　與普通硅相比,，采用碳化硅的元器件有如下特性：

　　高壓特性

　　碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍

　　碳化硅肖特基管耐壓可達(dá)2400V。

　　碳化硅場效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬伏,，且通態(tài)電阻并不很大,。

　　高頻特性

　　高溫特性

　　在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓,、低損耗,、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待,。然而,，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求,，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵,。

　　目前,低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價格還較高,其缺陷也多,。通過不斷的研究開發(fā),預(yù)計(jì)到2010年前后,碳化硅器件將主宰功率器件的市場,。但實(shí)際上并非如此。

　　三,、最受關(guān)注的碳化硅MOS

　　SiC器件分類

　　SiC-MOSFET

　　SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件,。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。

　　在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天,，SiC功率器件因其高耐壓,、低損耗、高效率等特性,，一直被視為“理想器件”而備受期待,。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件,，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵,。

　　碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)

　　碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式,，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成,。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在,，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢如下：

　　平面vs溝槽

　　SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性,。

　　碳化硅MOS的優(yōu)勢

　　硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率,。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍,，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能,。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率,。

　　20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半,， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢,。

　　碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr,。如圖所示，同一額定電流900V的器件,，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%,。對于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標(biāo)非常關(guān)鍵,，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音,，便于提高開關(guān)工作頻率。

　　碳化硅MOS管的應(yīng)用

　　碳化硅MOSFET模塊在光伏,、風(fēng)電,、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢,，可以突破現(xiàn)有電動汽車電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制,，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動汽車（HEV）,、純電動汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU）,，使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5,。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng),，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動模塊集成到了電機(jī)內(nèi),，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo),。預(yù)計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動汽車上。

　　四,、碳化硅肖特二極管

　　碳化硅肖特基二極管

　　碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)

　　碳化硅肖特基二極管（SiC SBD）的器件采用了結(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS）,，可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力,。

　　碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢

　　碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件,，因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復(fù)特性,。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時,，幾乎沒有反向恢復(fù)電流（如圖1.2a）,，反向恢復(fù)時間小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時間在10ns以內(nèi),。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率,，在相同頻率下具有更高的效率。另一個重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù),，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升,，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)實(shí)用,，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性,。

　　概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢，有如下特點(diǎn)：

　　1. 幾乎無開關(guān)損耗

　　2. 更高的開關(guān)頻率

　　3. 更高的效率

　　4. 更高的工作溫度

　　5. 正的溫度系數(shù),，適合于并聯(lián)工作

　　6. 開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)

　　碳化硅肖特基二極管的應(yīng)用

　　碳化硅肖特基二極管可廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源,、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）,、光伏逆變器等中高功率領(lǐng)域,，可顯著的減少電路的損耗，提高電路的工作頻率,。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來的硅FRD,，可使電路工作在300kHz以上，效率基本保持不變,，而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降,。隨著工作頻率的提高，電感等無源原件的體積相應(yīng)下降,，整個電路板的體積下降30%以上,。

　　五、人們是如何評價碳化硅的?

　　幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

　　碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特,。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k,。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個數(shù)量級。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個數(shù)量級,。由此,碳化硅器件的單位面 積的阻抗僅為硅器件的100分之一,。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低,。這有助于減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗,，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外,，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。

　　近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一,。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小,因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu),。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多,。

　　六,、目前碳化硅器件發(fā)展情況如何?

　　1，技術(shù)參數(shù)：舉例來說,，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上,，芯片面積小了，但電流只有幾十安,。工作溫度提高到180℃,，離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意,，與硅材料沒有差別,，高的正向壓降要達(dá)到2V。

　　2,，市場價格：約為硅材料制造的5到6倍,。

　　七、碳化硅(SiC)器件發(fā)展中的難題在哪里?

　　綜合各種報道,，難題不在芯片的原理設(shè)計(jì),，特別是芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決好并不難。難在實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝,。

　　舉例如下：

　　1,，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見的宏觀缺陷,，在碳化硅晶體生長技術(shù)發(fā)展到能徹底消除微管缺陷之前,，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過15cm-2 的水平,。但器件制造要求直徑超過100mm的碳化硅晶體,，微管密度低于0.5cm-2 。

　　2,，外延工藝效率低,。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問題,，溫度不能太高,，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低,。液相外延溫度較低,、速率較高，但產(chǎn)量較低,。

　　3,，摻雜工藝有特殊要求,。如用擴(kuò)散方法進(jìn)行慘雜，碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅,，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用,，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散法摻雜,，而要用離子注入摻雜,。如果p型離子注入的雜質(zhì)使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多,，注入對晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重,，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火,。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解,、硅原子升華的問題。目前,，p型離子注入的問題還比較多,，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化。

　　4,，歐姆接觸的制作,。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項(xiàng)工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極,，要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2,，電極材料用Ni和Al可以達(dá)到，但在100℃ 以上時熱穩(wěn)定性較差,。采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高到600℃,、100h ，不過其接觸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 ,。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難,。

　　5，配套材料的耐溫,。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作,，但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如,，電極材料,、焊料、外殼,、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高,。

　　以上僅舉數(shù)例，不是全部,。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法,，如碳化硅半導(dǎo)體表面挖槽工藝,、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對碳化硅MOSFET器件的長期穩(wěn)定性影響方面,，行業(yè)中還有沒有達(dá)成一致的結(jié)論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發(fā)展,。

　　八,、為什么SIC器件還不能普及？

　　早在20世紀(jì)60年代,，碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)為人們所熟知,。之所以目前尚未推廣普及，是因?yàn)榇嬖谥S多包括制造在內(nèi)的許多技術(shù)問題,。直到現(xiàn)在SIC材料的工業(yè)應(yīng)用主要是作為磨料（金剛砂）使用,。

　　SIC在能夠控制的壓力范圍內(nèi)不會融化，而是在約2500℃的升華點(diǎn)上直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),。所以SIC 單晶的生長只能從氣相開始,，這個過程比SIC的生長要復(fù)雜的多，SI在大約1400℃左右就會熔化,。使SIC技術(shù)不能取得商業(yè)成功的主要障礙是缺少一種合適的用于工業(yè)化生產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件的襯底材料,。對SI的情況,單晶襯底經(jīng)常指硅片（wafer）,它是從事生產(chǎn)的前提和保證。一種生長大面積 SIC襯底的方法以在20世紀(jì)70年代末研制成功,。但是用改進(jìn)的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾,。

　　只要一根微管穿過高壓PN結(jié)就會破壞PN結(jié)阻斷電壓的能力，在過去三年中,，這種缺陷密度已從每平方毫米幾萬根降到幾十根,。除了這種改進(jìn)外，當(dāng)器件的最大尺寸被限制在幾個平方毫米時,，生產(chǎn)成品率可能在大于百分之幾,，這樣每個器件的最大額定電流為幾個安培。因此在SIC功率器件取得商業(yè)化成功之前需要對SIC的襯底材料作更大技術(shù)改進(jìn),。

　　SIC工業(yè)生產(chǎn)的晶片和最佳晶片的微管密度的進(jìn)展

　　制造不同器件成品率為40% 和90% 的微管密度值

　　上圖看出,，現(xiàn)在SIC材料，光電子器件已滿足要求,，已經(jīng)不受材料質(zhì)量影響,，器件的工業(yè)生產(chǎn)成品率，可靠性等性能也符合要求,。高頻器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二極管內(nèi)的單極器件,。SIC材料的微管缺陷密度基本達(dá)到要求，僅對成品率還有一定影響,。高壓大功率器件用SIC材料大約還要二年的時間,，進(jìn)一步改善材料缺陷密度,。總之不論現(xiàn)在存在什么困難,，半導(dǎo)體如何發(fā)展,， SIC無疑是新世紀(jì)一種充滿希望的材料。

　　史上最全第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展介紹（附世界各國研究概況解析）

　　第3代半導(dǎo)體是指以氮化鎵（GaN）,、碳化硅（SiC）,、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料,，各類半導(dǎo)體材料的帶隙能比較見表1,。與傳統(tǒng)的第1代、第2代半導(dǎo)體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比,，第3代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大,、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大,、電子飽和漂移速度高,、介電常數(shù)小等獨(dú)特的性能，使其在光電器件,、電力電子,、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現(xiàn)出巨大的潛力,，是世界各國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),。

　　一、主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展概況

　　目前,，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(fèi)電子設(shè)備,、新能源汽車、智能電網(wǎng),、還是軍工用品,，都對這種高性能的半導(dǎo)體材料有著極大的需求。根據(jù)第3代半導(dǎo)體的發(fā)展情況,，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明,、電力電子器件、激光器和探測器,、以及其他4個領(lǐng)域,，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同（見圖1）。

　　圖1. 第3代半導(dǎo)體各應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

　　1半導(dǎo)體照明

　　在4個應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體照明行業(yè)發(fā)展最為迅速,，已形成百億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,。半導(dǎo)體照明所使用的材料體系主要分為3種：藍(lán)寶石基GaN、SiC基GaN,、Si基GaN,，每種材料體系的產(chǎn)品都對應(yīng)不同的應(yīng)用。其中,，藍(lán)寶石基GaN是最常用的,，也是最為成熟的材料體系，大部分LED照明都是通過這種材料體系制造的,。SiC基GaN制造成本較高，但由于散熱較好,，非常適合制造低能耗,、大功率照明器件。Si基GaN是3種材料體系中制造成本最低的,，適用于低成本顯示,。

　　２電力電子器件

　　在電力電子領(lǐng)域,，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用剛剛起步,，市場規(guī)模僅為幾億美元。其應(yīng)用主要集中在軍事尖端裝備領(lǐng)域,，正逐步向民用領(lǐng)域拓展,。微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá),、智能武器和通信系統(tǒng)等方面,。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領(lǐng)域,。功率器件方面,，GaN和SiC兩種材料體系的應(yīng)用領(lǐng)域有所區(qū)別。Si基GaN器件主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹械蛪海?00～1 200V）,， 如筆記本,、高性能服務(wù)器、基站的開關(guān)電源,；而SiC基GaN則集中在高壓領(lǐng)域（＞1 200V）,，如太陽能發(fā)電、新能源汽車,、高鐵運(yùn)輸,、智能電網(wǎng)的逆變器等器件。

　?。臣す馄骱吞綔y器

　　在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域,，GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍,，實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠,、紫外激光器和紫外探測的制造,。紫色激光器可用于制造大容量光盤，其數(shù)據(jù)存儲盤空間比藍(lán)光光盤高出20倍,。除此之外,，紫色激光器還可用于醫(yī)療消毒、熒光激勵光源等應(yīng)用,，總計(jì)市場容量為12億美元,。藍(lán)色激光器可以和現(xiàn)有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起,，實(shí)現(xiàn)全真彩顯示,，使激光電視實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。目前,，藍(lán)色激光器和綠光激光器產(chǎn)值約為2億美元,，如果技術(shù)瓶頸得到突破，潛在產(chǎn)值將達(dá)到500億美元,。GaN基紫外探測器可用于導(dǎo)彈預(yù)警,、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測,、化學(xué)生物探測等領(lǐng)域,，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

　?。雌渌麘?yīng)用

　　在前沿研究領(lǐng)域,，寬禁帶半導(dǎo)體可用于太陽能電池、生物傳感器,、水制氫媒介,、及其他一些新興應(yīng)用，目前這些熱點(diǎn)領(lǐng)域還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段,。

　　在以上4個應(yīng)用領(lǐng)域中,，半導(dǎo)體照明和電力電子器件2個領(lǐng)域成為了2014年初關(guān)注焦點(diǎn)。前者是因?yàn)槊绹鞍谉霟簟苯钣?014年1月1日開始實(shí)施,，停止銷售市場最暢銷的40W和60W白熾燈,，此舉旨在推廣緊湊型熒光燈、LED燈和其他高能效比節(jié)能燈泡,。隨著世界各國相繼出臺全面淘汰白熾燈的政策法規(guī),，預(yù)計(jì)2014年將成為半導(dǎo)體照明近期發(fā)展最快的一年。后者是受到美國政府“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃的影響。2014年1月15日,，奧巴馬總統(tǒng)宣布成立“新一代電力電子器件國家制造創(chuàng)新中心”,，在未來5年內(nèi)，該中心通過美國能源部投資7 000萬美元,，帶動企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)投入7 000萬美元以上匹配資金,，致力于研發(fā)和制造高性能并具有價格競爭優(yōu)勢的半導(dǎo)體電力電子器件。中心將由美國北卡羅來納州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo),，會同阿西布朗勃法瑞公司（ABB）,、科銳公司（Cree, Inc）、射頻微器件公司（RF Mico Devices, Inc.）,、臺達(dá)公司（Delta Products Inc.）,、阿肯色電力電子國際公司（Arkansas Power Electronics International, Inc.）、東芝國際公司（Toshiba International Corporation）,、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S. Naval Research Laboratory）等超過25家公司,、大學(xué)及政府機(jī)構(gòu)，此舉將極大地加速寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件在民用領(lǐng)域的應(yīng)用,，并引發(fā)全球的關(guān)注?；谶@些原因,，本文將重點(diǎn)對上述2個領(lǐng)域近期的發(fā)展情況進(jìn)行進(jìn)一步的介紹。

　　二,、半導(dǎo)體照明

　　隨著照明科技的不斷進(jìn)步,，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）作為一種固體照明光源，以其高光效,、長壽命,、節(jié)能環(huán)保、應(yīng)用廣泛等諸多優(yōu)勢,，正在逐步替代傳統(tǒng)的白熾燈,，成為繼白熾燈、熒光燈之后的又一次光源革命,。LED燈比傳統(tǒng)的白熾燈發(fā)光效率高80%左右,，壽命長2倍，且不含汞,、鉛等有害物質(zhì),，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源,。根據(jù)美國能源部研究報告,，一個價值15美元的LED燈，在其生命周期內(nèi)，將比白熾燈節(jié)省超過140美元的電費(fèi),。

　　近年來,，隨著LED發(fā)光效率的大幅度提升，單位流明的價格逐步下降,，各類創(chuàng)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),，照明質(zhì)量不斷提高。其應(yīng)用已從最初的指示燈,，逐步拓展到室內(nèi)照明,、舞臺照明、景觀照明等各個照明領(lǐng)域,。目前,，照明耗能約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電已成為節(jié)省能源的重要途徑,。為此,，發(fā)達(dá)國家紛紛宣布白熾燈淘汰計(jì)劃，積極推廣LED照明,，應(yīng)對逐年的全球溫室效應(yīng),。美國、歐盟,、日本,、加拿大、澳大利亞,、韓國等國相繼宣布停止銷售白熾燈,。我國也將于2012-2016年，逐步淘汰白熾燈,。

　　1國外LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

　　美國是半導(dǎo)體照明技術(shù)的領(lǐng)跑者,，一直處于技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位。為了減少照明電力的能源消耗,，緩解能源枯竭,，美國能源局自2000年就開始推動固態(tài)照明技術(shù)研究，逐步實(shí)現(xiàn)固態(tài)照明對傳統(tǒng)照明的替代,。隨后,，奧巴馬的“美國能源新政”把發(fā)展新能源和可再生能源、提高能源使用效能,、推動能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整作為促進(jìn)美國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和創(chuàng)造就業(yè)最重要的舉措,。半導(dǎo)體照明技術(shù)被認(rèn)為是能源應(yīng)用領(lǐng)域中重要的技術(shù)創(chuàng)新之一，在美國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用,。

　　美國能源部的固態(tài)照明發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃共獲得美國國會2.98 億美元的撥款,，資助了超過200個研究項(xiàng)目,。此計(jì)劃取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，根據(jù)相關(guān)研究報道,，2012年LED燈為美國節(jié)省了71萬億BTU(英國熱量單位),，相當(dāng)于節(jié)省了6.75億美元的能源開支。預(yù)計(jì)2030 年美國 LED照明的普及能夠?qū)⒛茉聪墓?jié)省近半,，2010-2030年期間所節(jié)省的累計(jì)電量將達(dá)2 700TWh,，相當(dāng)于剩下2 500億美元的開銷，也等同于18億t二氧化碳排放量（見圖2）,。

　　除美國以外,，其他發(fā)達(dá)國家也積極推動LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本早在1998年就推出了“21世紀(jì)光計(jì)劃”,，投入60億日元用于開發(fā)白光LED照明光源,，計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)100%的照明產(chǎn)品為新一代高效率照明。歐洲則于2000年開始的“彩虹計(jì)劃”,，通過歐盟補(bǔ)貼來推廣LED的應(yīng)用,。在隨后推出的“地平線2020”計(jì)劃中，固體照明和OLED都被囊括其中,，光電子領(lǐng)域的投入將達(dá)到7億歐元,。韓國在2002年提出“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計(jì)劃”，國家投入1億美元推動LED照明發(fā)展,。在隨后的“15/30計(jì)劃”中,，又投入50億韓元經(jīng)費(fèi)，進(jìn)行LED照明的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范擬定作業(yè),，并規(guī)劃在2015年前將境內(nèi)30%的照明淘汰換成LED照明。

　　圖2 美國能源部LED照明預(yù)測圖

　?。仓袊鳯ED產(chǎn)業(yè)概況

　　我國LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代,，發(fā)展迅速。在政府的大力扶持下,，經(jīng)過30多年的發(fā)展,，已經(jīng)初步形成了外延片、芯片,、封裝及產(chǎn)品應(yīng)用完成產(chǎn)業(yè)鏈,，成為全球照明產(chǎn)業(yè)變革中轉(zhuǎn)型升級發(fā)展最快的區(qū)域之一。通過科技部推出的“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范工程,，截至2011年底,，已經(jīng)有420萬盞以上LED燈具得到示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電4.2億kWh,。根據(jù)國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）的最新數(shù)據(jù)顯示,，2013年,，我國功率型白光LED產(chǎn)業(yè)化光效達(dá)140 lm/W，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的功率型硅基LED 芯片產(chǎn)業(yè)化光效達(dá)到130 lm/W,，芯片的國產(chǎn)化率達(dá)到75% ,。

　　2013 年，我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模達(dá)到2 576 億元,，較2012 年的1 920 億元增長34%,。其中上游外延芯片生產(chǎn)產(chǎn)值規(guī)模達(dá)到105億元，增長率為31.5%,；中游封裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到403 億元,，增長率為26%；下游應(yīng)用領(lǐng)域整體規(guī)模達(dá)到2 068 億元,，增長率達(dá)到36%,。根據(jù)聯(lián)盟預(yù)計(jì)，2014 年,，國內(nèi)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速增長,，預(yù)計(jì)增長率達(dá)到40%左右。外延芯片產(chǎn)值增長率預(yù)計(jì)達(dá)到35%左右,，封裝產(chǎn)業(yè)預(yù)計(jì)增速在20%左右,，應(yīng)用環(huán)節(jié)產(chǎn)值增長率超過50%。

　?。澄磥砑夹g(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向

　　現(xiàn)階段LED燈的整體發(fā)光效率可達(dá)130～160 lm/W,，已經(jīng)具有取代傳統(tǒng)照明市場實(shí)力，預(yù)計(jì)發(fā)光效率還將快速提升,，2015年將達(dá)到160～190 lm/W,，2020年將達(dá)到235 lm/W左右（見表2）。目前,，制約LED大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵仍然是價格因素,。雖然在過去的5年中，LED照明產(chǎn)品的售價有了大幅度的下降,，但和普通的節(jié)能燈相比仍不具備價格優(yōu)勢（見圖3）,。近幾年來，隨著生產(chǎn)成本下降和資本大量流入的影響,，這種局面開始產(chǎn)生變化,，LED照明與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品之間的價格差距正在逐漸縮小。2013年末到2014年初,，在許多國家和區(qū)域,，無論是取代40W或是60W的LED燈最低售價都已經(jīng)跌破10美元，全球這兩種LED燈平均價格也分別下降到15美元和21美元的低位,。許多人認(rèn)為10美元的價格區(qū)間將是家庭住宅大規(guī)模選擇使用LED燈具的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn),，因此2014年很有可能將成為LED照明需求快速增長的一年,，成為LED照明產(chǎn)品的拐點(diǎn)年。預(yù)計(jì)2014年LED照明滲透率也將由8%～10%提升至32.7%,，LED照明市場產(chǎn)值達(dá)到為353億美元,，較2013年成長 47.8%。到2020年,，全球LED照明市場份額有望增長到840億美元,。

　　圖3 取代60W的LED球泡燈價格預(yù)期

　　三、電力電子器件

　　在20世紀(jì),，硅基半導(dǎo)體電力電子器件被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī),、通信和能源等行業(yè)，為人們帶來了各種強(qiáng)大的電子設(shè)備,，深刻地改變著每一個人的生活,，在過去的幾十年中一直推動著科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。隨著硅基電力電子器件逐漸接近其理論極限值,，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優(yōu)異的特性,，給電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。相對于Si材料,，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造新一代的電力電子元件,，可以變得更小、更快,、更可靠和更高效,。這將減少電力電子元件的質(zhì)量、體積以及生命周期成本,，允許設(shè)備在更高的溫度,、電壓和頻率下工作，使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實(shí)現(xiàn)更高的性能,?；谶@些優(yōu)勢，寬禁帶半導(dǎo)體在家用電器,、電力電子設(shè)備,、新能源汽車,、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備,、高壓直流輸電設(shè)備、移動電話基站等系統(tǒng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景,。

　　1軍事方面的應(yīng)用

　　最初,，針對禁帶半導(dǎo)體的研究與開發(fā)主要是為了滿足軍事國防方面的需求。早在1987年,，美國政府和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)就促成了科銳公司（Cree）的成立,，專門從事SiC半導(dǎo)體的研究,。隨后，美國國防部和能源部先后啟動了“寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃”和“氮化物電子下一代技術(shù)計(jì)劃”,，積極推動SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,。美國政府一系列的部署引發(fā)了全球范圍內(nèi)的激烈競爭，歐洲和日本也相繼開展了相關(guān)研究,。歐洲開展了面向國防和商業(yè)應(yīng)用的“KORRIGAN”計(jì)劃和面向高可靠航天應(yīng)用的“GREAT2”計(jì)劃,。日本則通過“移動通訊和傳感器領(lǐng)域半導(dǎo)體器件應(yīng)用開發(fā)”、“氮化鎵半導(dǎo)體低功耗高頻器件開發(fā)”等計(jì)劃推動第3代半導(dǎo)體在未來通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,。經(jīng)過多年的發(fā)展,，發(fā)達(dá)國家在寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件及系統(tǒng)的研究上取得了豐碩的成果,，實(shí)現(xiàn)了在軍事國防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,。

　　由于SiC和GaN兩種材料的特性不同，它們的應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別：GaN主要是用作微波器件,，而SiC主要是作為大功率高頻功率器件,。GaN材料的功率密度是現(xiàn)有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料,，被應(yīng)用于雷達(dá),、電子對抗、智能化系統(tǒng)及火控裝備,，用來提高雷達(dá)性能和減小體積,。根據(jù)報道，美國海軍新一代干擾機(jī)吊艙,、空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件,，以取代洛馬公司的SPY-1相控陣?yán)走_(dá)（宙斯盾系統(tǒng)核心雷達(dá)）。SiC則應(yīng)用于高壓,、高溫,、強(qiáng)輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機(jī)及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統(tǒng),，起到抵抗極端環(huán)境和降低能耗的作用,。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射系統(tǒng)均靠電力驅(qū)動，能在300英尺的距離內(nèi)把飛機(jī)速度提高到160海里/h,。其區(qū)域配電系統(tǒng)采用全SiC器件為基礎(chǔ)的固態(tài)功率變電站,，這使得每個變壓器的質(zhì)量從6t減少為1.7t，體積從10m3減少為2.7m3,。

　?。裁裼妙I(lǐng)域應(yīng)用

　　隨著在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用逐步成熟，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用開始逐步拓展到民用應(yīng)用領(lǐng)域,，其節(jié)能效應(yīng)也將惠及到國民經(jīng)濟(jì)的方方面面,。近年來,，信息技術(shù)在原有基礎(chǔ)上又得到快速發(fā)展，大量的以新技術(shù)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品,、新應(yīng)用正在迅速普及,，所帶來的電力電子設(shè)備的能源消耗量也快速增長。根據(jù)預(yù)測,，美國電力電子設(shè)備用電量占總量的比例將從2005年的30%增長到2030年的80%,。半導(dǎo)體在節(jié)能領(lǐng)域中應(yīng)用最多就是功率器件，絕大多數(shù)電子產(chǎn)品都會使用到一顆或多顆功率器件產(chǎn)品,。寬禁帶半導(dǎo)體的帶隙明顯大于硅半導(dǎo)體,，從而可有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗,。其相關(guān)器件的推廣應(yīng)用將給工業(yè)電機(jī)系統(tǒng),、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、新能源等領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響（見圖4）,。

　　圖4 寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

　?。?）工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)

　　在傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域，交流電機(jī)控制,、工業(yè)傳動裝置,、機(jī)車與列車用電源以及供暖系統(tǒng)傳動裝置等都需要功率器件。對于工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)來說,，更高效,、更緊湊的寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，這將使得泵,、風(fēng)機(jī),、壓縮機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)所用的各類驅(qū)動電機(jī)變得更加高效、節(jié)能,。根據(jù)報道,，在美國，電機(jī)系統(tǒng)用電量占制造業(yè)的70%左右,，通過使用寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器,，美國每年直接節(jié)省的電力相當(dāng)于100萬戶美國家庭用電的年消耗量。隨著寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器的應(yīng)用逐步擴(kuò)展,，最終節(jié)省的電力可供690萬戶美國家庭使用,。

　　（2）消費(fèi)電子產(chǎn)品

　　消費(fèi)電子產(chǎn)品將是寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的另一大領(lǐng)域,。目前,，家庭擁有的電器總量驚人,，各類家電通常都需要各種不同的功率器件控制,；公共場所空調(diào),、照明、裝飾,、顯示,、計(jì)算機(jī)、自動控制等也需要大量的功率器件,。筆記本電腦,、智能手機(jī)、平板電腦,、計(jì)算機(jī)和服務(wù)器等消費(fèi)電子產(chǎn)品所使用的電源轉(zhuǎn)換器雖然單個能耗不大,，但其使用數(shù)量龐大，損耗總和相當(dāng)驚人,。寬禁帶半導(dǎo)體芯片可以消除整流器在進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換時90%的能量損失,，還可以使筆記本電源適配器體積縮小80%。通過使用寬禁帶半導(dǎo)體,，美國在此領(lǐng)域節(jié)約的電力可供130萬戶美國家庭使用,。

　　（3）新能源領(lǐng)域

　　為了擺脫對化石燃料的依賴,、減少溫室氣體的排放,，各國政府都開始大力發(fā)展可再生能源產(chǎn)業(yè)。太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電力需要從直流電源轉(zhuǎn)換成交流電,，繼而才能與電網(wǎng)相連接使用,。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出非固定頻率的交流電,，需要進(jìn)行交-直-交的轉(zhuǎn)換才能并網(wǎng)使用,。寬禁帶半導(dǎo)體逆變器可以使得這個過程的效率更高，美國每年節(jié)省的電力足夠供美國75萬戶家庭使用,。此外,，對于智能電網(wǎng)來說，使用寬禁帶半導(dǎo)體制成的逆變器,、變壓器和晶體管等,，有助于克服發(fā)電、輸電,、配電及終端使用所面臨的一系列問題,，幫助建立一個更智能、更可靠,、更具彈性的新一代電網(wǎng),。例如，一個寬禁帶半導(dǎo)體逆變器，其性能是傳統(tǒng)逆變器性能的4倍,，同時成本和質(zhì)量分別減少50%和25%,。對于較大規(guī)模的逆變器，寬禁帶半導(dǎo)體逆變器的質(zhì)量可以減輕大約3 600kg,。

　　在電動汽車和混合動力汽車領(lǐng)域,，寬禁帶半導(dǎo)體可以把直流快充電站縮小到微波爐一樣大小，并減少2/3的電力損失,。由于這些電子產(chǎn)品可以承受更高的工作溫度,，可使得車輛冷卻系統(tǒng)的體積減少60%，甚至消除了二次液體冷卻系統(tǒng),。

　?。呈袌銮熬?/p>

　　基于寬禁帶半導(dǎo)體的廣闊應(yīng)用前景、巨大的市場需求和經(jīng)濟(jì)效益,，繼半導(dǎo)體照明以后,，美國將第三代半導(dǎo)體材料的電子電力器件應(yīng)用提升到國家戰(zhàn)略的高度，確保美國在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢地位,。相對于半導(dǎo)體照明行業(yè),，寬禁帶半導(dǎo)體在電子電力領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，但預(yù)計(jì)其潛在市場容量超過300億美元,。

　　功率器件方面,，2012年全球SiC和GaN基功率器件市場的銷售規(guī)模僅為1億多美元，大部分應(yīng)用集中在電源,。其中,，SiC基器件的市場規(guī)模達(dá)到9 000萬美元，而GaN基器件僅為1 000多萬,。2013年,，各大企業(yè)紛紛推出GaN功率器件樣品，這標(biāo)志著其在民用市場的商業(yè)化進(jìn)程開始加速,。隨著價格下降和產(chǎn)量的增加,，預(yù)計(jì)市場拐點(diǎn)或?qū)⒊霈F(xiàn)在2015年。SiC基器件的價格有望下降到2012年的一半左右,，GaN基器件的價格也可能進(jìn)一步下降,，屆時市場規(guī)模有望接近5億美元。2020年,，市場規(guī)模將達(dá)到20億美元,，相比2012年提高20倍。微波器件方面,，2012年GaN基微波器件市場收入接近9 000萬美元,，預(yù)計(jì)GaN整體市場微波及功率器件到2015年達(dá)到3.5億美元。

　　我國開展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比較晚，在科技部及軍事預(yù)研項(xiàng)目的支持下,，取得了一定的成果,，逐步縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，在軍工領(lǐng)域已取得了一些應(yīng)用,。但是，研究的主要成果還停留在實(shí)驗(yàn)室階段,，器件性能離國外的報道還有很大差距,。目前，已有少數(shù)企業(yè)成功開發(fā)SiC和GaN材料及器件,，GaN微波器件和SiC功率器件于2013年進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段,，預(yù)計(jì)在未來2～3年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

　　導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體,，半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能,、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。

　　目前的半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代,。第一代半導(dǎo)體材料主要以硅（Si）,、鍺（Ge）為主，20世紀(jì)50年代,，Ge在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位,，主要應(yīng)用于低壓、低頻,、中功率晶體管以及光電探測器中,，但是Ge半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被Si器件取代,。用Si材料制造的半導(dǎo)體器件,，耐高溫和抗輻射性能較好。Si儲量極其豐富,，提純與結(jié)晶方便,，二氧化硅（SiO2）薄膜的純度很高，絕緣性能很好,，這使器件的穩(wěn)定性與可靠性大為提高,，因此Si已經(jīng)成為應(yīng)用最廣的一種半導(dǎo)體材料。目前95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都是由Si材料制作,。在21世紀(jì),，它的主導(dǎo)和核心地位仍不會動搖。但是Si材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應(yīng)用,。

　　20世紀(jì)90年代以來,，隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵（GaAs）,、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳,。GaAs、InP等材料適用于制作高速,、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,，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊,、光通信,、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是GaAs,、InP材料資源稀缺,，價格昂貴，并且還有毒性,，能污染環(huán)境,，InP甚至被認(rèn)為是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點(diǎn)使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性,。

　　第三代半導(dǎo)體材料主要包括SiC,、GaN、金剛石等,，因其禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3電子伏特（eV）,，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。和第一代,、第二代半導(dǎo)體材料相比,，第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng),、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn),，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率,、高壓,、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料,，在國防,、航空、航天,、石油勘探,、光存儲等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景,，在寬帶通訊、太陽能,、汽車制造,、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失,，最高可以使裝備體積減小75%以上,，對人類科技的發(fā)展具有里程碑的意義。

　　第三代半導(dǎo)體材料

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　　碳化硅單晶材料

　　在寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域就技術(shù)成熟度而言,，碳化硅是這族材料中最高的,，是寬禁帶半導(dǎo)體的核心。SiC材料是IV-IV族半導(dǎo)體化合物,，具有寬禁帶(Eg：3.2eV),、高擊穿電場(4×106V/cm),、高熱導(dǎo)率(4.9W/cm.k)等特點(diǎn),。從結(jié)構(gòu)上講，SiC材料屬硅碳原子對密排結(jié)構(gòu),，既可以看成硅原子密排,，碳原子占其四面體空位；又可看成碳原子密排,，硅占碳的四面體空位,。對于碳化硅密排結(jié)構(gòu)，由單向密排方式的不同產(chǎn)生各種不同的晶型,業(yè)已發(fā)現(xiàn)約200種,。目前最常見應(yīng)用最廣泛的是4H和6H晶型,。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技術(shù)的發(fā)展，其電子器件和電路將為系統(tǒng)解決上述挑戰(zhàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),。因此SiC材料的發(fā)展將直接影響寬禁帶技術(shù)的發(fā)展,。

　　SiC器件和電路具有超強(qiáng)的性能和廣闊的應(yīng)用前景，因此一直受業(yè)界高度重視,，基本形成了美國,、歐洲、日本三足鼎立的局面,。目前,，國際上實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國的Cree公司,、Bandgap公司、DowDcorning公司,、II-VI公司,、Instrinsic公司；日本的Nippon公司,、Sixon公司,；芬蘭的Okmetic公司；德國的SiCrystal公司,，等,。其中Cree公司和SiCrystal公司的市場占有率超過85%。在所有的碳化硅制備廠商中以美國Cree公司最強(qiáng),，其碳化硅單晶材料的技術(shù)水平可代表了國際水平,，專家預(yù)測在未來的幾年里Cree公司還將在碳化硅襯底市場上獨(dú)占鰲頭。

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　　氮化鎵材料

　　GaN材料是1928年由Johason等人合成的一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料,，

　　在大氣壓力下,，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它在一個元胞中有4個原子,，原子體積大約為GaAs的1/2,；其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水,、酸和堿,，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；在HCl或H2下高溫中呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性,，而在N2下最為穩(wěn)定,。GaN材料具有良好的電學(xué)特性，寬帶隙(3.39eV),、高擊穿電壓(3×106V/cm),、高電子遷移率(室溫1000cm2/V·s)、高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013cm-2)等,，因而被認(rèn)為是研究短波長光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優(yōu)選材料,，相對于硅、砷化鎵,、鍺甚至碳化硅器件,，GaN器件可以在更高頻率、更高功率,、更高溫度的情況下工作,。另外，氮化鎵器件可以在1~110GHz范圍的高頻波段應(yīng)用,，這覆蓋了移動通信,、無線網(wǎng)絡(luò),、點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)微波通信、雷達(dá)應(yīng)用等波段,。

　　近年來,，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領(lǐng)域和微波器件方面的應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注。作為一種具有獨(dú)特光電屬性的半導(dǎo)體材料,，GaN的應(yīng)用可以分為兩個部分：憑借GaN半導(dǎo)體材料在高溫高頻,、大功率工作條件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半導(dǎo)體材料；憑借GaN半導(dǎo)體材料寬禁帶,、激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)開發(fā)新的光電應(yīng)用產(chǎn)品,。目前GaN光電器件和電子器件在光學(xué)存儲、激光打印,、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,，其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管是當(dāng)前器件制造領(lǐng)域最為感興趣和關(guān)注的,。

　　國外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早,，現(xiàn)在美國、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,，都出現(xiàn)了可以生產(chǎn)氮化鎵體單晶材料的公司,，其中以美國,、日本的研究水平最高,。

　　美國有很多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司都開展了氮化鎵體單晶制備技術(shù)的研究,，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,。Kyma公司現(xiàn)在已經(jīng)可以出售1英寸,、2英寸、3英寸氮化鎵單晶襯底,，且已研制出4英寸氮化鎵單晶襯底,。

　　日本在氮化鎵襯底方面研究水平也很高，其中住友電工(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)等也開展了相關(guān)研究,。日立電線的氮化鎵襯底,，直徑達(dá)2英寸，襯底上位錯密度都達(dá)到1×106cm-2水平,。

　　歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN和法國的Lumilog兩家公司,。TopGaN生產(chǎn)GaN材料采用HVPE工藝，位錯密度1×107cm-2,，厚度0.1～2mm,，面積大于400mm2。綜上,，國外的氮化鎵體單晶襯底研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,，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,。

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　　氮化鋁材料

　　AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接帶隙,，可以廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域,。與砷化鎵等材料相比，覆蓋的光譜帶寬更大,，尤其適合從深紫外到藍(lán)光方面的應(yīng)用,，同時Ⅲ族氮化物具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良,、擊穿電壓高,、介電常數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，使得Ⅲ族氮化物器件相對于硅,、砷化鎵,、鍺甚至碳化硅器件，可以在更高頻率,、更高功率,、更高溫度和惡劣環(huán)境下工作，是最具發(fā)展前景的一類半導(dǎo)體材料,。

　　AlN材料具有寬禁帶(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),、紫外探測器以及高功率高頻電子器件的理想襯底材料,。

　　近年來,，GaN基藍(lán)、綠光LED,、LD,、紫外探測器以及大功率高頻HEMT器件都有了很大發(fā)展。在AlGaNHEMT器件方面,，AlN與GaN材料相比有著更高的熱導(dǎo)率,，而且更容易實(shí)現(xiàn)半絕緣；與SiC相比,，則晶格失配更小,，可以大大降低器件結(jié)構(gòu)中的缺陷密度，有效提高器件性能,。AlN是生長Ⅲ族氮化物外延層及器件結(jié)構(gòu)的理想襯底,，其優(yōu)點(diǎn)包括：與GaN有很小的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配；化學(xué)性質(zhì)相容,；晶體結(jié)構(gòu)相同,，不出現(xiàn)層錯層；同樣有極化表面,；由于有很高的穩(wěn)定性并且沒有其它元素存在,，很少會有因襯底造成的沾污。AlN材料能夠改善器件性能,，提高器件檔次,，是電子器件發(fā)展的源動力和基石。

　　目前國外在AlN單晶材料發(fā)展方面,，以美國,、日本的發(fā)展水平為最高,。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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的唯一單位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或藍(lán)寶石襯底上淀積10～30μm的電絕緣AlN層,。主要用作低缺陷電絕緣襯底,，用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已經(jīng)有2,、3,、4、6英寸產(chǎn)品,。日本的AlN技術(shù)研究單位主要有東京農(nóng)工大學(xué),、三重大學(xué)、NGK公司,、名城大學(xué)等,，已經(jīng)取得了一定成果,，但還沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。另外俄羅斯的約菲所,、瑞典的林雪平大學(xué)在HVPE法生長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,。在國內(nèi)，AlN方面的研究較國外明顯滯后,，一些科研單位在AlNMOCVD外延生長方面,，也有了初步的探索，但都沒有明顯的突破及成果,。

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　　金剛石

　　金剛石是碳結(jié)晶為立方晶體結(jié)構(gòu)的一種材料,。在這種結(jié)構(gòu)中，每個碳原子以“強(qiáng)有力”的剛性化學(xué)鍵與相鄰的4個碳原子相連并組成一個四面體,。金剛石晶體中,，碳原子半徑小，因而其單位體積鍵能很大,，使它比其他材料硬度都高,，是已知材料中硬度最高(維氏硬度可達(dá)10400kg/mm2)。

　　另外,，金剛石材料還具有禁帶寬度大(5.5eV),；熱導(dǎo)率高，最高達(dá)120W/cm·K(-190℃),，一般可達(dá)20W/cm.K(20℃),；傳聲速度最高，介電常數(shù)小,，介電強(qiáng)度高等特點(diǎn),。金剛石集力學(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。依據(jù)金剛石優(yōu)良的特性,，應(yīng)用十分廣泛,，除傳統(tǒng)的用于工具材料外，還可用于微電子,、光電子,、聲學(xué)、傳感等電子器件領(lǐng)域。

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　　氧化鋅

　　氧化鋅（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料,，禁帶寬度為3.37eV,；另外，其激子束縛能(60meV)比GaN(24meV),、ZnS(39meV)等材料高很多,，如此高的激子束縛能使它在室溫下穩(wěn)定，不易被激發(fā)(室溫下熱離化能為26meV),，降低了室溫下的激射閾值,，提高了ZnO材料的激發(fā)效率?；谶@些特點(diǎn),，ZnO材料既是一種寬禁帶半導(dǎo)體，又是一種具有優(yōu)異光電性能和壓電性能的多功能晶體,。

　　它既適合制作高效率藍(lán)色,、紫外發(fā)光和探測器等光電器件，還可用于制造氣敏器件,、表面聲波器件,、透明大功率電子器件、發(fā)光顯示和太陽能電池的窗口材料以及變阻器,、壓電轉(zhuǎn)換器等,。相對于GaN，ZnO制造LED,、LD更具優(yōu)勢,，具預(yù)計(jì)，ZnO基LED和LD的亮度將是GaN基LED和LD的10倍,，而價格和能耗則只有后者的1/10,。

　　ZnO材料以其優(yōu)越的特性被廣泛應(yīng)用，受到各國極大關(guān)注,。

　　日,、美、韓等發(fā)達(dá)國家已投入巨資支持ZnO材料的研究與發(fā)展,，掀起世界ZnO研究熱潮,。據(jù)報道，日本已生長出直徑達(dá)2英寸的高質(zhì)量ZnO單晶,；我國有采用CVT法已生長出了直徑32mm和直徑45mm、4mm厚的ZnO單晶,。材料技術(shù)的進(jìn)步同時引導(dǎo)和推進(jìn)器件技術(shù)的進(jìn)步,，日本研制出基于ZnO同質(zhì)PN結(jié)的電致發(fā)光LED；我國也成功制備出國際首個同質(zhì)ZnO－LED原型器件，實(shí)現(xiàn)了室溫下電注入發(fā)光,。器件制備技術(shù)的進(jìn)步,，推動ZnO半導(dǎo)體材料實(shí)用化進(jìn)程，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢,，在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)上將有很重要的應(yīng)用,，前景無限。

　　半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

　　半導(dǎo)體照明

　　半導(dǎo)體照明技術(shù)及其產(chǎn)品正向著更高光效,、更低成本,、更可靠、更多元化領(lǐng)域和更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展,。新型襯底上外延高效率GaN-LED正是突破藍(lán)寶石襯底外延瓶頸的發(fā)展趨勢,。SiC是除了藍(lán)寶石之外，作為GaN外延襯底使用最多的材料,。但是,，眼下SiC 襯底的市場主要被Cree公司壟斷，導(dǎo)致其市場價格遠(yuǎn)高于藍(lán)寶石,，所以SiC 襯底的應(yīng)用還遠(yuǎn)沒有藍(lán)寶石那樣廣泛,。

　　美國Cree公司依靠其掌握的SiC晶體制備和LED外延等關(guān)鍵技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了從SiC襯底到LED外延,、芯片封裝,、燈具設(shè)計(jì)的完整照明器件產(chǎn)業(yè)鏈，壟斷了整個SiC襯底LED照明產(chǎn)業(yè),。2013年,，Cree公司報道的LED發(fā)光效率已經(jīng)超過276lm/W。Cree的LED照明產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值達(dá)到了12億美元,，市場規(guī)模增長迅速,。由此可見，SiC襯底LED在照明產(chǎn)業(yè)中占據(jù)的市場規(guī)模不容小覷,，表現(xiàn)出很強(qiáng)的市場競爭力和技術(shù)競爭力,。

　　另外，采用自支撐 GaN 襯底制備LED可以最大程度地降低LED外延結(jié)構(gòu)的晶格失配和熱失配,，實(shí)現(xiàn)真正的同質(zhì)外延,，可以大幅度降低由異質(zhì)外延引起的位錯密度。國際上相關(guān)報道較多的幾個研究組是美國的通用公司（GE）,、加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）,、佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech）、西弗吉尼亞大學(xué)（West Virginia）大學(xué),、以及日本的住友（Sumitomo） 電工,、松下（Panasonic）和三菱（Mitsubishi）等,。美國 UCSB 的研究人員在2012年報道自支撐GaN襯底上同質(zhì)外延LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過160lm/W。并且在較高電流密度下,，光輸出依然沒有飽和,，且反向漏電流極低。在高注入電流條件下,，GaN同質(zhì)襯底外延技術(shù)表現(xiàn)出藍(lán)寶石外延技術(shù)所沒有的性能優(yōu)勢,。

　　短波長激光器

　　大功率、低成本的短波長激光器一直是激光技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn),，而III族氮化物材料體系的光譜特性決定其將在短波長固態(tài)激光器領(lǐng)域大顯身手,。

　　氮化物半導(dǎo)體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小,、壽命長,、易于調(diào)制等特點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)更高的亮度,、更長的壽命和更豐富的色彩,。信息科技的發(fā)展迫切需要功率密度更高、發(fā)光波長更短的激光器,。

　　由于綠色光在水下的損耗較小,，綠光半導(dǎo)體激光器可用于深海光無線通信，其具有抗干擾,、保密性好的優(yōu)點(diǎn),。藍(lán)色和紫外光激光器由于其波長短，能量高,，能實(shí)現(xiàn)更大的存儲密度（單張單層藍(lán)光光盤的存儲密度最少為25GB,，是普通DVD光盤的5倍），在信息領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)的光存儲產(chǎn)生革命性的影響,。

　　近年來,，綠光激光器的重點(diǎn)突破是基于GaN襯底的高In組分同質(zhì)外延和二次外延技術(shù)，實(shí)現(xiàn)InGaN材料中In組分超過35%,，激射波長達(dá)到510～530nm的綠光激光器,。紫外光激光器的重要突破是AlN模板（低成本）與AlN襯底（高性能）互補(bǔ)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量,、高Al組分AlGaN材料的外延制備技術(shù),，實(shí)現(xiàn)發(fā)光波長280～300nm，室溫光泵浦發(fā)光的紫外激光器,。

　　光伏電池

　　第3代半導(dǎo)體在新能源領(lǐng)域同樣具有重要應(yīng)用前景,。GaN材料體系中的InGaN（銦鎵氮）太陽能電池的光學(xué)帶隙可連續(xù)調(diào)節(jié)，特別適合于制作多結(jié)疊層太陽能光伏電池,，實(shí)現(xiàn)全太陽可見光譜能量的吸收利用,，提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率,。其理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他材料體系,。同時，InGaN的抗輻射能力遠(yuǎn)強(qiáng)于目前常用的Si,、GaAs等太陽能電池材料,，更適合應(yīng)用于存在強(qiáng)輻射的外太空環(huán)境中，如為外太空航天器提供動力的太陽帆,，因此InGaN太陽能電池在航空航天等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用,。

　　結(jié)語

　　寬禁帶半導(dǎo)體材料作為一類新型材料，具有獨(dú)特的電,、光,、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能,，在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景,。它能夠提高功率器件工作溫度極限，使其在更惡劣的環(huán)境下工作,；能夠提高器件的功率和效率,，提高裝備性能；能夠拓寬發(fā)光光譜,，實(shí)現(xiàn)全彩顯示,。隨著寬禁帶技術(shù)的進(jìn)步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟,，其重要性將逐漸顯現(xiàn),，在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮⒌诙雽?dǎo)體材料,，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰,。