在現(xiàn)實(shí)世界中，沒有人可以和“半導(dǎo)體”撇清關(guān)系。雖然這個(gè)概念聽上去可能顯得有些冰冷，但是你每天用的電腦，手機(jī)以及電視等等，都會(huì)用到半導(dǎo)體元件。半導(dǎo)體的重要性自不必說(shuō)，今天我們來(lái)說(shuō)一下半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中一個(gè)很關(guān)鍵的組成部分，那就是半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要材料。其發(fā)展經(jīng)過了三個(gè)主要階段：以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料、以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料、以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料。第三代半導(dǎo)體材料在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)的進(jìn)步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮?、第二代半?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

今天我們主要說(shuō)的就是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。

第三代半導(dǎo)體材料—寬禁帶半導(dǎo)體材料

當(dāng)前，電子器件的使用條件越來(lái)越惡劣，要適應(yīng)高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來(lái)電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。近年來(lái)，新發(fā)展起來(lái)了第三代半導(dǎo)體材料－－ 寬禁帶半導(dǎo)體材料，該類材料具有熱導(dǎo)率高、電子飽和速度高、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等特點(diǎn)，這就從理論上保證了其較寬的適用范圍。目前，由其制作的器件工作溫度可達(dá)到600 ℃以上、抗輻照1×106 rad；小柵寬GaN HEMT 器件分別在4 GHz 下，功率密度達(dá)到40 W／mm；在8 GHz，功率密度達(dá)到30 W／mm；在18 GHz，功率密度達(dá)到9．1 W／mm；在40 GHz，功率密度達(dá)到10．5 W／mm；在80．5 GHz，功率密度達(dá)到2．1 W／mm，等。因此，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)已成為當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型動(dòng)力。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導(dǎo)體硅材料替代品的任務(wù)變得非常緊迫。在多位選手輪番登場(chǎng)后，有兩位脫穎而出，它們就是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）——并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。

碳化硅材料

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。SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。

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(guó)、歐洲、日本三足鼎立的局面。目前，國(guó)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(guó)的Cree 公司、Bandgap 公司、Dow Dcorning 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(guó)的SiCrystal 公司，等。其中Cree 公司和SiCrystal 公司的市場(chǎng)占有率超過85％。在所有的碳化硅制備廠商中以美國(guó)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(guó)際水平，專家預(yù)測(cè)在未來(lái)的幾年里Cree 公司還將在碳化硅襯底市場(chǎng)上獨(dú)占鰲頭。美國(guó)Cree 公司1993 年開始有6H 碳化硅拋光片商品出售，過去的十幾年里不斷有新品種加入，晶型由6H 擴(kuò)展到4H；電阻率由低阻到半絕緣；尺寸由2寸到6寸，150 mm（6英寸）拋光片已投入市場(chǎng)。

氮化鎵材料

氮化鎵

氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙＊的半導(dǎo)體，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(gè)元胞中有4個(gè)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（3．39 eV）、高擊穿電壓（3×106 V／cm）、高電子遷移率（室溫1 000 cm2／V·s）、高異質(zhì)結(jié)面電荷密度（1×1013 cm－2）等，因而被認(rèn)為是研究短波長(zhǎng)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(duì)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(dòng)通信、無(wú)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(lái)，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(gè)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(chǔ)、激光打印、高亮度LED 以及無(wú)線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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。

GaN 功率器件的制作工藝與GaAs 工藝相似度高，甚至很多設(shè)備都是同時(shí)支持兩種材料的工藝，因此，很多GaAs 器件廠商逐漸增加GaN 器件業(yè)務(wù)。目前，整個(gè)GaN 功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)處于起步階段，各國(guó)政策都在大力推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國(guó)際半導(dǎo)體大廠也紛紛將目光投向GaN 功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，關(guān)于GaN 器件廠商的收購(gòu)、合作不斷發(fā)生，650V以下的平面型HEMT器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

碳化硅與氮化鎵的優(yōu)缺點(diǎn)：

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域

半導(dǎo)體照明

LED襯底類別包括藍(lán)寶石、碳化硅、硅以及氮化鎵。藍(lán)光LED在用襯底材料來(lái)劃分技術(shù)路線。SiC襯底有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問題，減少了缺陷和位錯(cuò)，更高的電光轉(zhuǎn)換效率從根本上帶來(lái)更多的出光和更少的散熱。氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越特性，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。時(shí)至今日，氮化鎵襯底相對(duì)于藍(lán)寶石、碳化硅等襯底的性能優(yōu)勢(shì)顯而易見，最大難題在于價(jià)格過高。
功率器件

2015年，SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)（包括二極管和晶體管）規(guī)模約為2億美元，到2021年，其市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將超過5．5億美元，這期間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)19％。毫無(wú)懸念，消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場(chǎng)，仍將是SiC功率半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用。

目前市場(chǎng)上主要GaN產(chǎn)品是應(yīng)用于高功率密度DC／DC電源的40－200伏增強(qiáng)性高電子遷移率異質(zhì)節(jié)晶體管（HEMT）和600伏HEMT混合串聯(lián)開關(guān)，國(guó)外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國(guó)GaN相關(guān)企業(yè)有IDM公司中航微電子、蘇州能訊，材料廠商中稼半導(dǎo)體、三安光電、杭州士蘭微等公司。

微波器件

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(lái)，GaN微波器件有望用于4G～5G移動(dòng)通訊基站等民用領(lǐng)域。市調(diào)公司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。GaN在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達(dá)、電子對(duì)抗等。GaN將在越來(lái)越多的國(guó)防產(chǎn)品中得到應(yīng)用，充分體現(xiàn)其在提高功率、縮小體積和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

激光器和探測(cè)器

在激光器和探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN激光器已經(jīng)成功用于藍(lán)光DVD，藍(lán)光和綠色的激光將來(lái)巨大的市場(chǎng)空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領(lǐng)域，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。2014年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二認(rèn)為下一代照明技術(shù)應(yīng)該是基于GaN激光器的“激光照明”，有望將照明和顯示融合發(fā)展。目前，只有國(guó)外的日本日亞公司（Nichia）、和德國(guó)的歐司朗（Osram）等公司能夠提供商品化的GaN基激光器。

由于氮化鎵優(yōu)異的光電特性和耐輻射性能，還可以用作高能射線探測(cè)器。GaN基紫外探測(cè)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(cè)、化學(xué)生物探測(cè)等領(lǐng)域，例如核輻射探測(cè)器，X射線成像儀等，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢(shì)

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?、第二代半?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

我國(guó)彎道超車的機(jī)會(huì)來(lái)了？

雖然我國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展的時(shí)機(jī)已經(jīng)逐步成熟，處于重要窗口期。然而目前行業(yè)面臨的困難仍然很多，一個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與兩個(gè)方面有關(guān)：一個(gè)是技術(shù)層面，另一個(gè)重要問題就是產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境。

目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新鏈并沒有打通，整體創(chuàng)新環(huán)境較差。從事寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)的研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)單體規(guī)模小，資金投入有限，研發(fā)創(chuàng)新速度慢，成果轉(zhuǎn)化困難。

然而在寬禁半導(dǎo)體材料方面卻有比較樂觀的一面，中鎵半導(dǎo)體目前已建成國(guó)內(nèi)首家專業(yè)的GaN襯底材料生產(chǎn)線，制造出厚度達(dá)1100微米的自支撐GaN襯底，并能夠穩(wěn)定生產(chǎn)。2018年2月初，中鎵半導(dǎo)體氮化鎵襯底量產(chǎn)技術(shù)獲得重大突破，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)4英寸GaN自支撐襯底的試量產(chǎn)。

天域半導(dǎo)體是我國(guó)首家專業(yè)從事第三代半導(dǎo)體碳化硅外延片研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)。據(jù)悉，早在2010年，該公司就與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所合作成立了“碳化硅技術(shù)研究院”。目前，天域半導(dǎo)體可提供6英寸SiC晶圓，以及各種單極、雙極型SiC功率器件。

風(fēng)華高科是一家專業(yè)從事新型元器件、電子材料、電子專用設(shè)備等電子信息基礎(chǔ)產(chǎn)品的高科技上市公司。

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，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。目前，美國(guó)、日本、歐洲在第三代半導(dǎo)體SiC、GaN、AlN等技術(shù)上擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。相比美、日，我國(guó)在第三半導(dǎo)體材料上的起步較晚，水平較低，但由于第三代半導(dǎo)體還有很大的發(fā)展空間，各國(guó)都處于發(fā)力階段，因此被視作一次彎道超車的機(jī)會(huì)。

總結(jié)

我國(guó)展開SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國(guó)外相比水平比較低。但是隨著國(guó)家戰(zhàn)略層面支持力度的加大，且具有迫切的市場(chǎng)需求，因此我國(guó)將有望集中優(yōu)勢(shì)力量一舉實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破！
路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索?；蛟S是概括這一行業(yè)的最好判語(yǔ)了。