世界各國第三代半導體材料發展情況

技術創新是推動產業發展的永恆動力。

當前，在科技強國的背景下，以碳化矽、氮化鎵為代表的第三代寬禁帶半導體材料憑藉著其優異的特性得到了世界各國的高度重視。

由於第三代半導體材料具有非常顯著的性能優勢和巨大的產業帶動作用，歐美日等已開發國家和地區都把發展碳化矽半導體技術列入國家戰略，投入巨資支持發展。

本文將對第三代半導體材料的定義、特性以及各國研發情況進行詳細剖析。

一、第一代半導體材料概況

第一代半導體材料主要是指矽(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料。

作為第一代半導體材料的鍺和矽，在國際信息產業技術中的各類分立器件和應用極為普遍的集成電路、電子信息網絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、矽光伏產業中都得到了極為廣泛的應用，矽晶片在人類社會的每一個角落無不閃爍著它的光輝。

二、第二代半導體材料概況

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb);三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP;還有一些固溶體半導體，如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半導體(又稱非晶態半導體)，如非晶矽、玻璃態氧化物半導體;有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

第二代半導體材料主要用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

因信息高速公路和網際網路的興起，還被廣泛應用於衛星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。

三、第三代半導體材料

1、定義

第三代半導體材料主要以碳化矽(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)半導體材料。

2、應用領域

以SiC等為代表的第三代半導體材料，將被廣泛應用於光電子器件、電力電子器件等領域，以其優異的半導體性能在各個現代工業領域發揮重要革新作用，應用前景和市場潛力巨大。

隨著SiC生產成本的降低，SiC半導體正在憑藉其優良的性能逐步取代Si半導體，打破Si基由於材料本身性能所遇到的瓶頸。

無疑，它將引發一場類似於蒸汽機一樣的產業革命：

1.SiC材料應用在高鐵領域，可節能20%以上，並減小電力系統體積;

2.SiC材料應用在新能源汽車領域，可降低能耗20%;

3.SiC材料應用在家電領域，可節能50%;

4.SiC材料應用在風力發電領域，可提高效率20%;

5.SiC材料應用在太陽能領域，可降低光電轉換損失25%以上;

6.SiC材料應用在工業電機領域，可節能30%-50%;

7.SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網領域，可使電力損失降低60%，同時供電效率提高40%以上;

8.SiC材料應用在大數據領域，可幫助數據中心能耗大幅降低;

9.SiC材料應用在通信領域，可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩定性;

10.SiC材料可使航空航天領域，可使設備的損耗減小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

與第一二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場，更高的熱導率，更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合於製作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導體材料(禁帶寬度大於2.2電子伏特)，亦被稱為高溫半導體材料。

從目前第三代半導體材料和器件的研究來看，較為成熟的是SiC和GaN半導體材料，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。

相對於Si，SiC的優點很多：有10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。

因為這些特點，用SiC製作的器件可以用於極端的環境條件下。

微波及高頻和短波長器件是目前已經成熟的應用市場。

42GHz頻率的SiCMESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統中，用SiC作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示屏的關鍵器件。

在碳化矽SiC中摻雜氮或磷可以形成n型半導體，而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成p型半導體。

在碳化矽中大量摻雜硼、鋁或氮可以使摻雜後的碳化矽具備數量級可與金屬比擬的導電率。

摻雜Al的3C-SiC、摻雜B的3C-SiC和6H-SiC的碳化矽都能在1.5K的溫度下擁有超導性，但摻雜Al和B的碳化矽兩者的磁場行為有明顯區別。

摻雜鋁的碳化矽和摻雜B的晶體矽一樣都是II型半導體，但摻雜硼的碳化矽則是I型半導體。

氮化鎵(GaN、Gallium nitride)是氮和鎵的化合物，此化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。

作為時下新興的半導體工藝技術，提供超越矽的多種優勢。

與矽器件相比，GaN在電源轉換效率和功率密度上實現了性能的飛躍。

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，廣泛應用於功率因數校正(PFC)、軟開關DC-DC等電源系統設計，以及電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、伺服器及通信電源等終端領域。

GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為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構。

它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。

因為其硬度高，又是一種良好的塗層保護材料。

GaN的電學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。

一般情況下所製備的P型樣品，都是高補償的。

4、代表性國家

從國際競爭角度看，美、日、歐等已開發國家已將第三代半導體材料列入國家計劃，並展開全面戰略部署，欲搶占戰略制高點。

如美國，2014年初，美國總統歐巴馬宣布成立「下一代功率電子技術國家製造業創新中心」，期望通過加強第三代半導體技術的研發和產業化，使美國占領下一代功率電子產業這個正出現的規模最大、發展最快的新興市場，並為美國創造出一大批高收入就業崗位。

日本也建立了「下一代功率半導體封裝技術開發聯盟」，由大阪大學牽頭，協同羅姆、三菱電機、松下電器等18家從事SiC和GaN材料、器件以及應用技術開發及產業化的知名企業、大學和研究中心，共同開發適應SiC和GaN等下一代功率半導體特點的先進封裝技術。

歐洲則啟動了產學研項目「LASTPOWER」，由意法半導體公司牽頭，協同來自義大利、德國等六個歐洲國家的私營企業、大學和公共研究中心，聯合攻關SiC和GaN的關鍵技術。

項目通過研發高性價比且高可靠性的SiC和GaN功率電子技術，使歐洲躋身於世界高能效功率晶片研究與商用的最前沿。

2015年5月，中國建立第三代半導體材料及應用聯合創新基地，搶占第三代半導體戰略新高地，還與荷蘭代爾夫特理工大學簽訂戰略合作協議，標誌著該基地引進國際優勢創新資源、匯聚全球創新創業人才取得新進展。

未來，由半導體SiC材料製作成的功率器件將支撐起當今節能技術的發展趨向，成為節能設備最核心的部件，因此半導體SiC功率器件也被業界譽為功率變流裝置的「CPU」、綠色經濟的「核芯」。

5、我國第三代半導體材料研發情況

據了解，我國政府高度重視第三代半導體材料的研究與開發，從2004年開始對第三代半導體領域的研究進行了部署，啟動了一系列重大研究項目，2013年科技部在863計劃新材料技術領域項目徵集指南中明確將第三代半導體材料及應用列為重要內容。

業界普遍看好SiC的市場發展前景，根據預測，至2022年其市場規模將達到40億美元，年平均複合增長率可達到45%，屆時將催生巨大市場應用空間。

雖然前景看好，但我國在該領域的發展的最大瓶頸就是原材料。

我國SiC原材料的質量、製備問題亟待破解。

目前我國對SiC晶元的製備尚為空缺，大多數設備靠國外進口。

國內開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內第三代半導體研究進展的還有原始創新問題。

國內新材料領域的科研院所和相關生產企業大都急功近利，難以容忍長期「只投入，不產出」的現狀。

因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創新舉步維艱。

產業鏈下游的產出要以上游材料為基礎，而事實上我國對基礎的材料問題的關注度不夠，一旦投入與支持的力度不夠，相關人才便很難被吸引，人才隊伍建設的問題也將逐漸成為發展瓶頸。

不過，在首屆第三代半導體材料及應用發展國際研討會上，科技部副部長曹健林曾表示，「今天的中國，在技術上已經走到了世界前列，更何況中國已經是世界上最大的經濟體系，我們應該與全世界的同行共同來解決面臨的問題，而且隨著中國政府支持創新、鼓勵創新力度的加強，我們更相信中國有能力解決這些問題，這不僅是為中國，也是為全世界科學技術工作做出巨大的推動。

」

此外，與會專家也認為，與在第一代、第二代半導體材料及集成電路產業上的多年落後、很難追趕國際先進水平的形勢不同，我國在第三代半導體領域的研究工作一直緊跟世界前沿，工程技術水平和國際先進水平差距不大，已經發展到了從跟蹤模仿到並駕齊驅、進而可能在部分領域獲得領先和比較優勢，並且有機會實現超越。

所以，隨著國家戰略層面支持力度的加大，特別是我國在節能減排和信息技術快速發展方面具備比較好的產業基礎，且具有迫切的市場需求，因此我國將有望集中優勢力量一舉實現彎道超車，占位領跑。