第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，20世紀(jì)30年代才被科學(xué)界所認(rèn)可。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料也從一代、二代發(fā)展到現(xiàn)在的第三代，本文著重分析第三代半導(dǎo)體材料的特性、應(yīng)用，以及我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

作為一種20世紀(jì)30年代才被科學(xué)界所認(rèn)可的材料—半導(dǎo)體，其實(shí)它的定義也很簡(jiǎn)單。眾所周知，物資存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等，其中導(dǎo)電性差或不好的材料，稱為絕緣體；反之，導(dǎo)電性好的稱為導(dǎo)體。因此，半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。

半導(dǎo)體的基本化學(xué)特征在于原子間存在飽和的共價(jià)鍵。作為共價(jià)鍵特征的典型是在晶格結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為四面體結(jié)構(gòu),所以典型的半導(dǎo)體材料具有金剛石或閃鋅礦(ZnS)的結(jié)構(gòu)。

由于地球的礦藏多半是化合物，所以最早得到利用的半導(dǎo)體材料都是化合物,例如方鉛礦(PbS)很早就用于無(wú)線電檢波，氧化亞銅(Cu2O)用作固體整流器，閃鋅礦(ZnS)是熟知的固體發(fā)光材料，碳化硅(SiC)的整流檢波作用也較早被利用。

硒(Se)是最早發(fā)現(xiàn)并被利用的元素半導(dǎo)體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。元素半導(dǎo)體鍺（Ge）放大作用的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了半導(dǎo)體歷史新的一頁(yè)，從此電子設(shè)備開(kāi)始實(shí)現(xiàn)晶體管化。

中國(guó)的半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)是從1957年首次制備出高純度(99.999999%～99.9999999%) 的鍺開(kāi)始的。采用元素半導(dǎo)體硅（Si）以后，不僅使晶體管的類(lèi)型和品種增加、性能提高，而且迎來(lái)了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時(shí)代。以砷化鎵(GaAs)為代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了微波器件和光電器件的迅速發(fā)展。

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料也在逐漸發(fā)生變化，迄今為止，半導(dǎo)體材料大致經(jīng)歷了三代變革?，F(xiàn)在跟隨芯師爺，一起去看看第一代半導(dǎo)體材料。

1、第一代半導(dǎo)體材料

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）元素半導(dǎo)體。它們是半導(dǎo)體分立器件、集成電路和太陽(yáng)能電池的最基礎(chǔ)材料。

金屬硅塊

幾十年來(lái)，硅芯片在電子信息工程、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電視、航天航空、新能源以及各類(lèi)軍事設(shè)施中得到極為廣泛的應(yīng)用，在人類(lèi)社會(huì)的每一個(gè)角落無(wú)不閃爍著它的光輝。

2、第二代半導(dǎo)體材料

第二代半導(dǎo)體材料是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP），以及三元化合物半導(dǎo)體材料，如鋁砷化鎵（GaAsAl）、磷砷化鎵（GaAsP）等。還有一些固溶體半導(dǎo)體材料，如鍺硅（Ge-Si）、砷化鎵-磷化鎵（GaAs-GaP）等；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體）材料，如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體等；有機(jī)半導(dǎo)體材料，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。隨著世界互聯(lián)網(wǎng)的興起，這些器件還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光通信和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域。

3、第三代半導(dǎo)體材料

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

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，通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦被稱為高溫半導(dǎo)體材料。

SiC 正憑借其優(yōu)良的性能，在許多領(lǐng)域可以取代硅，打破硅基材料本身性能造成的許多局限性。SiC 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)代技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮其重要的革新作用，應(yīng)用前景巨大。

氮化鎵（GaN）是極其穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬和高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)為1700℃。GaN 具有高的電離度，在三五族化合物中是最高的（0.5 或0.43）。在大氣壓下，GaN 晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠溆捕却?，所以它又是一種良好的涂層保護(hù)材料。GaN 具有出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度。

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）——并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。

碳化硅（SiC）身世

碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結(jié)可得到堅(jiān)硬的陶瓷狀碳化硅顆粒，并可將之用于諸如汽車(chē)剎車(chē)片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中，在諸如發(fā)光二極管、早期的無(wú)線電探測(cè)器之類(lèi)的電子器件制造中也有使用。如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導(dǎo)體。通過(guò)Lely法能生長(zhǎng)出大塊的碳化硅單晶。

結(jié)構(gòu)和特性

碳化硅存在著約250種結(jié)晶形態(tài)。由于碳化硅擁有一系列相似晶體結(jié)構(gòu)的同質(zhì)多型體使得碳化硅具有同質(zhì)多晶的特點(diǎn)。這些多形體的晶體結(jié)構(gòu)可被視為將特定幾種二維結(jié)構(gòu)以不同順序?qū)訝疃逊e后得到的，因此這些多形體具有相同的化學(xué)組成和相同的二維結(jié)構(gòu)，但它們的三維結(jié)構(gòu)不同。

在碳化硅中摻雜氮或磷可以形成n型半導(dǎo)體，摻雜鋁、硼、鎵或鈹可以形成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。

缺點(diǎn)

單晶材料缺陷多，至今材料質(zhì)量還未真正解決；設(shè)計(jì)和工藝控制技術(shù)比較困難；工藝裝置特殊要求，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，例離子注入,外延設(shè)備，激光曝光光刻機(jī)等；資金投入很大，運(yùn)行費(fèi)用和開(kāi)發(fā)費(fèi)用昂貴,一般很難開(kāi)展研發(fā)工作。

氮化鎵（GaN）身世

氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類(lèi)似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器*的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。

結(jié)構(gòu)和特性

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)槠溆捕雀撸质且环N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?/p>

缺點(diǎn)

一方面，在理論上由于其能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其中載流子的有效質(zhì)量較大，輸運(yùn)性質(zhì)較差，則低電場(chǎng)遷移率低，高頻性能差。另一方面，現(xiàn)在用異質(zhì)外延（以藍(lán)寶石和SiC作為襯底）技術(shù)生長(zhǎng)出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙于GaN器件的發(fā)展），如位錯(cuò)密度達(dá)到了108~1010/cm2（雖然藍(lán)寶石和SiC與GaN的晶體結(jié)構(gòu)相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達(dá)1017cm-3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關(guān)），并呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電。

特性比對(duì)

硅、碳化硅、氮化鎵物理性質(zhì)比較

應(yīng)用解析

兩者同為化合物半導(dǎo)體，有相似又有不同。那么具體到應(yīng)用層面會(huì)怎樣劃分？下圖解釋了從功率和頻率兩個(gè)參數(shù)來(lái)如何劃分兩者的應(yīng)用。

縱軸為功率，橫軸為頻率

4、第三代半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用領(lǐng)域

作為一類(lèi)新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域擁有前兩代半導(dǎo)體材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：如具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。

此外，第三代半導(dǎo)體材料還具有廣泛的基礎(chǔ)性和重要的引領(lǐng)性。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來(lái)看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料，也是最具有發(fā)展前景的兩種材料。

從應(yīng)用范圍來(lái)說(shuō)，第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域還具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性大等特點(diǎn)。在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，是支撐信息、能源、交通、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料。

電力電子領(lǐng)域

SiC、GaN的電力電子器件市場(chǎng)在2016年正式形成。初步估計(jì)，2016年SiC電力電子市場(chǎng)規(guī)模在2.1億-2.4億美元之間，而GaN電力電子市場(chǎng)規(guī)模約在2000萬(wàn)-3000萬(wàn)美元之間，兩者合計(jì)達(dá)2.3億-2.7億美元。而據(jù)IC insights數(shù)據(jù)，2016年全球功率半導(dǎo)體銷(xiāo)售金額約124億美元，意味著第三代半導(dǎo)體功率器件2016年的市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到2 %左右。

數(shù)據(jù)來(lái)源：Yole，2016

SiC、GaN在功率電子市場(chǎng)的前景看好。據(jù)Yole最新報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2021年全球SiC市場(chǎng)規(guī)模將上漲到5.5億美元，2016-2021年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到19%。而Yole同時(shí)預(yù)測(cè)，GaN功率器件在未來(lái)五年（2016-2021年）復(fù)合年增率將達(dá)到86%，市場(chǎng)將在2021年達(dá)到3億美元。當(dāng)然，SiC、GaN替代Si產(chǎn)品仍然為時(shí)甚早。據(jù)Lux研究公司數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)至2024年，第三代半導(dǎo)體功率電子的滲透率將達(dá)到13%，而Si產(chǎn)品仍將占據(jù)剩下的87%的市場(chǎng)份額。

微波射頻領(lǐng)域

據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2016-2020年GaN射頻器件市場(chǎng)將擴(kuò)大至目前的2倍，市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到4%；2020年末，市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2.5倍。2015年，受益于中國(guó)LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用，帶來(lái)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的大幅增長(zhǎng)，有力地刺激了GaN微波射頻產(chǎn)業(yè)。2015年末，整個(gè)GaN射頻市場(chǎng)規(guī)模接近3億美元。2017-2018年，在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施及國(guó)防應(yīng)用市場(chǎng)需求增長(zhǎng)的推動(dòng)下，GaN市場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步放大，但增速會(huì)較2015年有所放緩。2019-2020年，5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施將接棒推動(dòng)GaN市場(chǎng)增長(zhǎng)。未來(lái)10年，GaN市場(chǎng)將有望超過(guò)30億美元。

光電領(lǐng)域

隨著技術(shù)進(jìn)步，半導(dǎo)體照明的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)。據(jù)美國(guó)產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)Strategies Unlimited 2016年發(fā)布的報(bào)告顯示，2015年，LED器件營(yíng)收約147億美元，預(yù)計(jì)2016年約152億美元；2020年超過(guò)180億美元。LED器件照明應(yīng)用仍是主流應(yīng)用，約占30%以上，并穩(wěn)步增長(zhǎng)；LED在汽車(chē)以及農(nóng)業(yè)等應(yīng)用逐年擴(kuò)大。

近年來(lái)，LED照明產(chǎn)品的市場(chǎng)滲透率快速增長(zhǎng)，特別是在新增銷(xiāo)售量的滲透率有較快增長(zhǎng)，但在已安裝市場(chǎng)上，由于基數(shù)龐大，LED目前的（在用量）市場(chǎng)滲透率仍不高。IHS數(shù)據(jù)顯示，2015年全球LED燈安裝數(shù)量在整體照明產(chǎn)品在用量中的滲透率僅為6%，預(yù)計(jì)2022年將接近40%，LED全球照明市場(chǎng)仍具較大增長(zhǎng)潛力。

數(shù)據(jù)來(lái)源：Strategies Unlimited

5、我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展面臨的機(jī)遇挑戰(zhàn)

在巨大優(yōu)勢(shì)和光明前景的刺激下，目前全球各國(guó)均在加大馬力布局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，但我國(guó)在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)度還比較緩慢，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)亟待突破。近日，投資50億元的聚力成半導(dǎo)體（重慶）有限公司奠基，該項(xiàng)目有望突破我國(guó)第三代半導(dǎo)體器件在關(guān)鍵材料和制作技術(shù)方面的瓶頸。

“最大的瓶頸是原材料。”中科院半導(dǎo)體研究所研究員、中國(guó)電子學(xué)會(huì)半導(dǎo)體與集成技術(shù)分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)王曉亮認(rèn)為，我國(guó)原材料的質(zhì)量、制備問(wèn)題亟待破解。此外，湖南大學(xué)應(yīng)用物理系副教授曾健平也表示，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)展的重要因素是原始創(chuàng)新問(wèn)題?！眹?guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟一專家表示，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。

原始創(chuàng)新即從無(wú)到有的創(chuàng)新過(guò)程，其特點(diǎn)是投入大、周期長(zhǎng)。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。然而生長(zhǎng)SiC晶體難度很大，雖然經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的研究發(fā)展，到目前為止仍只有美國(guó)的Cree公司、德國(guó)的SiCrystal公司和日本的新日鐵公司等少數(shù)幾家公司掌握了SiC的生長(zhǎng)技術(shù)，能夠生產(chǎn)出較好的產(chǎn)品，但離真正的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也還有較大的距離。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，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大桎梏。

“第三代半導(dǎo)體對(duì)我們國(guó)家未來(lái)產(chǎn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，其應(yīng)用技術(shù)的研究比較關(guān)鍵，若相關(guān)配套技術(shù)及產(chǎn)品跟不上，第三代半導(dǎo)體的材料及器件的作用和效率可能會(huì)發(fā)揮不好，所以要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展?！敝信d通訊副總裁晏文德表示。

北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)中心沈波教授表示，當(dāng)前我國(guó)發(fā)展第三代半導(dǎo)體面臨的機(jī)遇非常好，因?yàn)檫^(guò)去十年，在半導(dǎo)體照明的驅(qū)動(dòng)下，氮化鎵無(wú)論是材料和器件成熟度都已經(jīng)大大提高，但第三代半導(dǎo)體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長(zhǎng)的路要走，市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)剛剛啟動(dòng)，我們還面臨巨大挑戰(zhàn)，必須共同努力。