隨著硅這種半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用，人們開(kāi)始關(guān)注更多的材料，以便制成性價(jià)比更高的電子產(chǎn)品，搶占市場(chǎng)。第一代半導(dǎo)體材料主要是硅和鍺等半導(dǎo)體材料，目前仍是整個(gè)電子材料市場(chǎng)的主力。隨著技術(shù)的進(jìn)步，第二代半導(dǎo)體材料應(yīng)運(yùn)而生，這一類材料是主要是砷化鎵、Ge－Si以及玻璃半導(dǎo)體等組成，目前也有一些實(shí)用的產(chǎn)品。當(dāng)前和未來(lái)最被看好的半導(dǎo)體材料是第三代半導(dǎo)體材料，也叫寬禁帶半導(dǎo)體材料，這類材料的性質(zhì)非常優(yōu)越，可以說(shuō)集第一第二代材料優(yōu)點(diǎn)，是集大成者的材料，尤其適合光電顯示、軍工和新能源汽車(chē)、衛(wèi)星研究等，是前景最廣闊的一類材料。隨著市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體器件微型化、導(dǎo)熱性的高要求，這類材料的市場(chǎng)需求暴漲，適用于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

碳化硅是最接近大規(guī)模商業(yè)化的第三代半導(dǎo)體材料

碳化硅又叫金剛砂，是用石英砂、石油焦、木屑等原料通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見(jiàn)的礦物莫桑石，在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種。

（碳化硅晶圓）

碳化硅是當(dāng)前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國(guó)對(duì)碳化硅的研究很重視，美歐日等不僅從國(guó)家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃。碳化硅因具有很大的硬度而成為一種重要的磨料，但其應(yīng)用范圍卻超過(guò)一般的磨料。它所具有的耐高溫性、導(dǎo)熱性而成為隧道窯或梭式窯的首選窯具材料之一，它所具有的導(dǎo)電性使其成為一種重要的電加熱元件等。碳化硅材料還可應(yīng)用于功能陶瓷、耐火材料、冶金原料等應(yīng)用領(lǐng)域。碳化硅器件的發(fā)展難題不是設(shè)計(jì)難題，而是實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝，如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工藝效率低、摻雜工藝的特殊要求、配套材料的耐溫等。碳化硅生產(chǎn)的另一個(gè)問(wèn)題是環(huán)保，由于碳化硅在冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一氧化碳、二氧化硫等有害氣體，同時(shí)粉塵顆粒如果處理不當(dāng)，污染非常嚴(yán)重。

氮化鎵在電子上的應(yīng)用與難點(diǎn)

氮化鎵是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙的半導(dǎo)體，該化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，可以用在高功率、高速的光電元件中，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)生紫光的激光。氮化鎵是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，在光電子、激光器、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。氮化鎵材料的發(fā)展難題有三個(gè)，一是如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的氮化硅的籽晶，直接采用氨熱方法培育一個(gè)兩英寸的籽晶需要幾年時(shí)間；二是對(duì)于氮化鎵材料，長(zhǎng)期以來(lái)由于襯底單晶沒(méi)有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當(dāng)高，因?yàn)榈墭O性太大，難以通過(guò)高摻雜來(lái)獲得較好的金屬半導(dǎo)體歐姆接觸，工藝制造較復(fù)雜；三是氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成。

（氮化鎵開(kāi)關(guān)芯片）

由于天然含量甚少，碳化硅主要多為人造，常見(jiàn)的方法是將石英砂與焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食鹽和木屑，置入電爐中，加熱到2000°C左右高溫，經(jīng)過(guò)各種化學(xué)工藝流程后得到碳化硅微粉。法國(guó)和瑞士科學(xué)家首次使用氮化鎵成功制造出了性能優(yōu)異的高電子遷徙率晶體管。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，珠海一家公司擁有8英寸硅基氮化鎵量產(chǎn)生產(chǎn)線，這是中國(guó)首條實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線。當(dāng)前氮化鎵的工藝制造難題是薄膜冷卻時(shí)受熱錯(cuò)配應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下，容易發(fā)生破裂或翹曲，成為硅基氮化鎵大英寸化的主要障礙。

氧化鋅在電子上的應(yīng)用

氧化鋅的化學(xué)式是ZnO，學(xué)過(guò)化學(xué)的小伙伴知道，這是一種白色粉末，是兩性氧化物，難溶于水但可溶于酸，氧化鋅的化學(xué)性質(zhì)活潑，能與鎂粉、鋁粉、等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并有爆炸的可能。為什么氧化鋅被稱為第三代半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗幕瘜W(xué)性質(zhì)，讓它能應(yīng)用在半導(dǎo)體上。半導(dǎo)體材料需要更好的穩(wěn)定性，如它的能帶隙和激子束縛能較大，有優(yōu)異的常溫發(fā)光性能，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的液晶顯示器、發(fā)光二極管以及薄膜晶體管等產(chǎn)品中可以發(fā)揮大的作用，這幾個(gè)領(lǐng)域都是很有前景的。

對(duì)于活性的氧化鋅，它的特點(diǎn)是純度更高，不純物的含量更低，表面積更大，這有利于增加半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和工作效率，所以活性的氧化鋅也有很多應(yīng)用，如在具備常規(guī)塊體材料所不具備的特點(diǎn)，具有抗紅外和紫外等特點(diǎn)，例如采用納米氧化鋅制備的壓敏電阻，不僅具有較低的燒結(jié)溫度，整個(gè)電阻性能全面提升，電阻的非線性系數(shù)、通流能力超越一般電子材料的能力。光電子將是氧化鋅未來(lái)突破的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，相對(duì)于碳化硅和氮化鎵，氧化鋅在光電顯示、電磁產(chǎn)品、熱敏感應(yīng)等方面有著獨(dú)一無(wú)二的能力。

金剛石的特性與應(yīng)用

從化學(xué)元素上來(lái)說(shuō)，金剛石和所謂的石墨和木炭并沒(méi)有區(qū)別，差別是碳原子的排列。金剛石是無(wú)色正八面體晶體，其成分為純碳元素，由碳原子以四價(jià)鍵鏈接，這樣的結(jié)構(gòu)和化學(xué)排列讓金剛石成為目前自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。金剛石不僅硬度大，熔點(diǎn)極高，而且不導(dǎo)電，是一種獨(dú)特的半導(dǎo)體。正是這樣的性質(zhì)讓它有很多用途，人們所說(shuō)的鉆石其實(shí)主要成分就是金剛石。金剛石以前最大的用途是工藝品和工業(yè)切割，但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金剛石作為一種材料，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用同樣很多，也有很大的應(yīng)用前景。

金剛石材料能有很好的應(yīng)用，這是因?yàn)樗牧炼取⑸⒑凸鉂傻刃再|(zhì)決定。如金剛石有極高的反射率，其反射臨界角較小反射光量大，能產(chǎn)生很高的亮度。還有，金剛石多樣的晶面象三棱鏡一樣，能把通過(guò)折射、反射和全反射進(jìn)入晶體內(nèi)部的白光分解成各種類型的光，金剛光澤也是一個(gè)很好的優(yōu)勢(shì)等等，光電器件、工業(yè)機(jī)器人和航空應(yīng)用等都將是金剛石材料的未來(lái)的主戰(zhàn)場(chǎng)。金剛石材料在電子元器件封裝和電子薄膜等上有著非常好的應(yīng)用，受制于成本，未能大面積普及，但是隨著量和技術(shù)的進(jìn)步，普及也是有可能的。我國(guó)目前還未掌握最先進(jìn)的金剛石生產(chǎn)方法，這種材料的生產(chǎn)方法包括高溫高壓法技術(shù)，這個(gè)是最成熟的方法，還有化學(xué)氣相沉積法，這種方法不成熟，產(chǎn)業(yè)化難度還很大，在研究之中。

近年來(lái)，我國(guó)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)發(fā)展迅速，其中以碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石等為主的材料備受關(guān)注。它們這類材料都有這樣共同的特點(diǎn)，比如均有著好的前景，材料特性優(yōu)于第一第二代半導(dǎo)體材料等?；瘜W(xué)特性的不同造就了其不同的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅在新能源汽車(chē)上優(yōu)勢(shì)明顯，氮化鎵特別適用于晶體管和模擬電路等，氧化鋅獨(dú)特的特點(diǎn)在光電顯示等優(yōu)勢(shì)明顯，金剛石薄膜在粒子探測(cè)器中的應(yīng)用，金剛石在激光等上優(yōu)勢(shì)也很好等等。雖然前景好，但產(chǎn)業(yè)化難題仍然擺在我們面前，如我國(guó)材料的制造工藝和質(zhì)量并未達(dá)到世界頂級(jí)，材料制造設(shè)備依賴于進(jìn)口嚴(yán)重，碳化硅與氮化鎵材料和器件方面產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，金剛石材料很貴，而氧化鋅產(chǎn)業(yè)鏈太缺失等，這些問(wèn)題需逐步解決，方可讓國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體材料屹立于世界頂尖行列。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)四種半導(dǎo)體材料相輔相成，組成中國(guó)強(qiáng)大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。