世界各國第三代半導體材料發(fā)展情況

　　由于第三代半導體材料具有非常顯著的性能優(yōu)勢和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動作用，歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)都把發(fā)展碳化硅半導體技術列入國家戰(zhàn)略，投入巨資支持發(fā)展。本文將對第三代半導體材料的定義、特性以及各國研發(fā)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硅(Si)、鍺元素(Ge)半導體材料。作為第一代半導體材料的鍺和硅，在國際信息產(chǎn)業(yè)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(wǎng)絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應用，硅芯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(tài)半導體)，如非晶硅、玻璃態(tài)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。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還被廣泛應用于衛(wèi)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硅(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，將被廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域，以其優(yōu)異的半導體性能在各個現(xiàn)代工業(yè)領域發(fā)揮重要革新作用，應用前景和市場潛力巨大。

　　隨著SiC生產(chǎn)成本的降低，SiC半導體正在憑借其優(yōu)良的性能逐步取代Si半導體，打破Si基由于材料本身性能所遇到的瓶頸。無疑，它將引發(fā)一場類似于蒸汽機一樣的產(chǎn)業(yè)革命：

　　1.SiC材料應用在高鐵領域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統(tǒng)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(jié)能50%;

　　4.SiC材料應用在風力發(fā)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(yè)電機領域，可節(jié)能30%-50%;

　　7.SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)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(shù)據(jù)領域，可幫助數(shù)據(jù)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(wěn)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體材料(禁帶寬度大于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。

　　相對于Si，SiC的優(yōu)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制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)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(tǒng)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。

　　在碳化硅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的碳化硅都能在1.5K的溫度下?lián)碛谐瑢?，但摻雜Al和B的碳化硅兩者的磁場行為有明顯區(qū)別。摻雜鋁的碳化硅和摻雜B的晶體硅一樣都是II型半導體，但摻雜硼的碳化硅則是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，提供超越硅的多種優(yōu)勢。與硅器件相比，GaN在電源轉換效率和功率密度上實現(xiàn)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，廣泛應用于功率因數(shù)校正(PFC)、軟開關DC-DC等電源系統(tǒng)設計，以及電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務器及通信電源等終端領域。

　　GaN是極穩(wěn)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，又是一種良好的涂層保護材料。

　　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。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)摹?/p>

　　4、代表性國家

　　如美國，2014年初，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布成立“下一代功率電子技術國家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，期望通過加強第三代半導體技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，使美國占領下一代功率電子產(chǎn)業(yè)這個正出現(xiàn)的規(guī)模最大、發(fā)展最快的新興市場，并為美國創(chuàng)造出一大批高收入就業(yè)崗位。

　　日本也建立了“下一代功率半導體封裝技術開發(fā)聯(lián)盟”，由大阪大學牽頭，協(xié)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(fā)及產(chǎn)業(yè)化的知名企業(yè)、大學和研究中心，共同開發(fā)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(chǎn)學研項目“LASTPOWER”，由意法半導體公司牽頭，協(xié)同來自意大利、德國等六個歐洲國家的私營企業(yè)、大學和公共研究中心，聯(lián)合攻關SiC和GaN的關鍵技術。項目通過研發(fā)高性價比且高可靠性的SiC和GaN功率電子技術，使歐洲躋身于世界高能效功率芯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(lián)合創(chuàng)新基地，搶占第三代半導體戰(zhàn)略新高地，還與荷蘭代爾夫特理工大學簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，標志著該基地引進國際優(yōu)勢創(chuàng)新資源、匯聚全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才取得新進展。

　　未來，由半導體SiC材料制作成的功率器件將支撐起當今節(jié)能技術的發(fā)展趨向，成為節(jié)能設備最核心的部件，因此半導體SiC功率器件也被業(yè)界譽為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟的“核芯”。

　　5、我國第三代半導體材料研發(fā)情況

　　據(jù)了解，我國政府高度重視第三代半導體材料的研究與開發(fā)，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征集指南中明確將第三代半導體材料及應用列為重要內(nèi)容。

　　業(yè)界普遍看好SiC的市場發(fā)展前景，根據(jù)預測，至2022年其市場規(guī)模將達到40億美元，年平均復合增長率可達到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(fā)展的最大瓶頸就是原材料。我國SiC原材料的質量、制備問題亟待破解。目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，大多數(shù)設備靠國外進口。

　　國內(nèi)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(nèi)第三代半導體研究進展的還有原始創(chuàng)新問題。國內(nèi)新材料領域的科研院所和相關生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱。

　　產(chǎn)業(yè)鏈下游的產(chǎn)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(fā)展瓶頸。

　　不過，在首屆第三代半導體材料及應用發(fā)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(jīng)走到了世界前列，更何況中國已經(jīng)是世界上最大的經(jīng)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(chuàng)新、鼓勵創(chuàng)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?！?/p>

　　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(chǎn)業(yè)上的多年落后、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(jīng)發(fā)展到了從跟蹤模仿到并駕齊驅、進而可能在部分領域獲得領先和比較優(yōu)勢，并且有機會實現(xiàn)超越。

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