王兴艳

第3代半导体材料即宽禁带半导体材料，又称高温半导体材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、金刚石等。这类材料具有宽的禁带宽度（禁带宽度大于2.2eV）、高的热导率、高的击穿电场、高的抗辐射能力、高的电子饱和速率等特点，适用于高温、高频、抗辐射及大功率器件的制作。第3代半导体材料凭借着其优异的特性，未来应用前景十分广阔。

一、大力发展第3代半导体的必要性和紧迫性

第3代半导体材料可用于制作新一代电力电子器件，应用于国民经济及国家安全保障的各个领域。一方面，从社会发展的角度，当今社会发展对于电力电子器件提出更高的要求，如抗辐射、高功率、高能效等，第3代半导体材料的应用可以有效满足社会发展对电力电子器件的新要求；另一方面，从国家安全角度来看，第3代半导体材料可应用于军用飞机、陆地坦克以及高性能雷达系统等军事装备。可见，积极发展第3代半导体材料利国利民。

此外，大力发展第3代半导体材料是有效实现我国节能降耗的有效途径。第3代半导体材料制成电子器件应用于各个领域，表1为SiC材料的应用，可有效提升效率，降低损耗。

同时，第3代半导体材料是各国竞相发展的战略性新兴产业。第3代半导体材料因其优异的性能和广泛的应用，已受到世界各国的重视，美国、日本、欧盟等国家和地区均将其置于重要的战略位置，对其投入巨资进行支持。如2013年日本政府将SiC纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现；2014年1月，美国总统奥巴马宣布设立国家下一代电力电子制造业创新研究所，5年内将至少投入1.4亿美元，对宽带隙半导体技术进行研究，从而使电力电子器件更加快速、高效和小巧。

二、第3代半导体材料发展现状及趋势

从目前第3代半导体材料和器件的研究来看，SiC和GaN较为成熟，而ZnO、AlN和金刚石等第3代半导体材料的研究还处于起步阶段。

1.SiC的发展现状及趋势

（1）发展现状

与传统硅（Si）材料相比，SiC材料各项性能如表2。依据不同的性能，制成的SiC器件广泛应用于各种不同领域。如凭借其良好的导热性，制成SiC器件可以被用在高温工作环境中，如石油和地热钻井勘探、汽车发动机、航空、航天探测、核能开发、卫星等应用领域；凭借其宽禁带和高化学稳定性，SiC器件可以被用在抗辐射领域；凭借其高击穿场强，制成高功率SiC器件应用在雷达、通信和广播电视领域；凭借其高电子饱和速率，制成高頻和微波SiC器件更是不可替代。不仅如此，SiC材料还是发光二极管和激光二极管的重要衬底材料。

目前，全球SiC材料的生产商主要包括美国的科锐（Cree）公司、道康宁（Dow Corning）和II-VI公司，德国的SiCrystal公司，以及我国的北京天科合达蓝光半导体有限公司（以下简称“北京天科合达”）、山东天岳晶体材料有限公司（以下简称“山东天岳”）、东莞市天域半导体科技有限公司（以下简称“东莞天域”）以及瀚天天成电子科技（厦门）有限公司（以下简称“厦门瀚天天成”）等，详见表3。其中美国Cree公司是全球最大的SiC材料供应商，德国SiCrystal公司是欧洲市场的主要供应商。

我国SiC材料产业起步晚。早在1991年，美国Cree公司就成功推出SiC材料，而我国在20世纪90年代末才开始着手研究SiC材料，直到2006年9月才成立了首家SiC材料生产企业——北京天科合达。随着近几年SiC材料的快速发展，我国SiC材料产业发展技术水平与国外差距正在缩小。2011年北京天科合达准备进入4英寸SiC晶体量产，2013年开始进行6英寸SiC晶体研发工作。如今，北京天科合达已经建成了SiC生长以及加工、检测、清洗、封装的生产线，发展成为亚太地区SiC晶片生产制造的先行者。

目前，国内许多高校和研究机构积极开展SiC晶体生产的研究工作，这为我国SiC材料研究工作的开展搭建了很好的研发平台，表4是国内SiC晶体的重点研发单位。当前，SiC晶片在我国研发尚属起步阶段，SiC晶片在国内的应用较少，SiC材料产业的发展缺乏下游应用企业的支撑。

（2）发展趋势

SiC材料十分符合低碳经济的发展要求，备受各国的关注，未来发展前景十分广阔。以半导体电源为例，当前全球整个半导体电源市场规模是340亿美元，但是碳化硅电源半导体市场占整个半导体电源市场的比例尚不足1%。据业内人士分析预测，碳化硅半导体电源市场将在未来10年内得到快速发展并在市场上占据一定的规模。今后，随着SiC材料在电动汽车、混合动力汽车、电源输送元器件、LED照明、光伏应用等众多领域的应用，SiC材料将保持高速发展。据Market Research研究表明，在未来的10年内碳化硅的生产商有望达到38%的年复合增长率。

2.GaN的发展现状及趋势

（1）发展现状

与传统Si材料相比，GaN材料各项性能如表5。利用GaN材料低的热产生率和高的击穿电场，可以研制高温大功率电子器件和高频微波器件，制成金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管（HFET）、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件；利用其宽带隙特性，制成蓝光发光器件、绿光发光器件、高亮度LED等多种类型发光器件，其中制成的蓝光发光器件可应用于高密度光盘信息存取、全光显示、激光打印机等领域，制成的高亮度LED可用于汽车照明、交通信号、高密度DVD存储等。总之，作为第3代半导体产业发展的关键材料，GaN材料是未来新一代光电子、功率电子和高频微电子器件的重要支撑材料。

20世纪90年代之后，LED产业的快速发展大大促进了GaN的发展，其年均增长率超过30%。进入新世纪， GaN开始进军大功率电子器件市场。目前，全球涉足GaN器件的公司主要有美国的国际整流器公司、射频微系统公司、飞思卡尔（Freescale）半导体公司，德国的Azzurro公司，英国的普莱思公司，日本的富士通公司和松下公司，加拿大的氮化镓系统公司等。而在2012年，全球仅有2～3家器件供应商，2013年后陆续有多家公司推出新产品，GaN器件市场开始得以快速发展。如2013年美国IR开始商业装运GaN功率器件，同年德国Azzurro公司推出“1Bin”硅基氮化镓LED晶圆，美国射频微系统公司推出世界首个用于制造射频功率晶体管的碳化硅基氮化镓晶圆，东芝推出第2代硅基氮化镓白色LED，英国普莱思半导体公司（Plessey）推光效翻倍的新一代硅基氮化镓LED。2015年，美国Qorvo公司推出雷达和无线电通信用塑料封装氮化镓晶体管，日本松下宣称2016年量产用于电源和马达控制的GaN半导体。

2012年全球氮化镓器件市场占有率由高到低依次为美国、欧洲、亚洲和世界其他地区，其中美国在全球市场占有率达32.1%。据美国透明度市场研究公司称，2012年氮化镓半导体器件市场产值约为3.8亿美元，其中军事国防和宇航部分占据氮化镓半导体市场的最高份额。

我国在GaN半导体产业起步晚、起点低，为了赶超国际水平，国内近几年作了很大努力，但是仍然存在较大差距，如在大尺寸GaN HEMT外延材料工程化和产业化方面。目前国际上产业化主流水平为4英寸，技术已经相当成熟，并已经开始6英寸关键技术研发工作，而我国在GaN HEMT外延材料方面基本上还处于4英寸的研发阶段，虽有部分实现小批量试产，但尚未形成大规模的产业化。

（2）发展趋势

由于GaN材料所具有的噪声系数优良、最大电流高、击穿电压高、振荡频率高等独特优势，不仅能够满足军事雷达、激光探测、宇航、电动汽车、高速列车、太阳能、发电等多个领域的要求，同时也顺应了我国绿色经济发展趋势。随着下游应用领域的扩展和军事需求的增加，我国对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长，GaN材料发展有着巨大的市场前景。未来10年，GaN材料消费年复合增长率将超过20%，并有望成为继硅和砷化镓等关键材料之后新的经济增长点。

3.其他材料

（1）金刚石

金刚石是一种极具优势的半导体材料，它既能作为有源器件材料制作场效应管、功率开关等器件，也能作为无源器件材料制成肖特基二极管。而且，由于金刚石具有最高的热导率和极高的电荷迁移率，其制成的半导体器件能够用在高频、高功率、高电压等恶劣环境中。

目前，自支撑单晶本征金刚石的制备以及硼掺杂技术已趋于成熟，金刚石掺硼的p-型材料已基本实用化。但在金刚石半导体应用领域仍存在许多问题亟待突破。首先，由于n-型掺杂问题尚未突破，难以得到合格的n-型导电材料，严重制约了金刚石半导体在电子领域的应用。其次，虽然大量高质量、超高纯度、具有半导体性能的金刚石材料的制备技术取得一定进展，但制备成本很高，难以实现规模化量产。此外，金刚石在制作器件过程中的处理技术往往会影响器件性能，微处理技术的提高也有待改进提高。

（2）氮化铝（AlN）

AlN是一种具有宽的禁带宽度（6.2eV）的新型半导体材料，在微电子、光学、电子元器件、声表面波器件（SAW）制造、高频宽带通信和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。如利用其高击穿场强、高热导率、高电阻率、高化学稳定性和高热稳定性，可用于电子器件、电子封装、介质隔离等；利用其宽禁带宽度，将其作为蓝光、紫光等发光材料；此外，还可以利用其压电性能、高的声表面波传播速度和高的机电耦合系数等特点，将其作为高频表面波器件的压电材料。

目前AlN基片已经实现产业化，但是为了实现AlN在微电子、光电子及声表面波器件的应用，还需要在不同衬底上制备AlN外延薄膜材料，但其制备方法和制备设备都限制其产业化。一方面，AlN薄膜制备设备复杂且造价昂贵；另一方面AlN薄膜制备方法仍需进一步完善。从目前制备方法来看，较成熟的制备方法需要需要把衬底加热到一定温度，但集成光学器件生产过程中为避免衬底材料热损伤往往要求薄膜制备过程保持在较低温度。目前虽然有报道称在较低温度下制备出AlN薄膜，但其制备方法尚不成熟。

（3）氧化锌（ZnO）

ZnO也是一种具有宽禁带宽度（3.37eV）的半导体材料，借助其优异的透明导电性，可用于制作太阳能电池的透明电极和透明窗口材料；借助其优良的高频特性、压电性能、高機电耦合系数和低介电常数，可用于制作压电器件、表面声波器件等；借助其激发发射近紫外光和蓝光的优越条件，可以开发出紫光、绿光、蓝光等多种发光器件；借助其较高的激子束缚能（60meV，约为GaN的3倍），在室温下即可受激发射，可以制备短波长光电器件等。

目前红色LED和绿光LED显示器件已有商品问世，但彩色显示器和氧化锌基光电器件尚未实现商品化。彩色显示未商业化的原因主要是蓝光亮度和色纯度未达到实用水平，无法通过三基色实现彩色显示。氧化锌基光电器件未商业化主要是氧化锌作为一种n型半导体，难以实现p型转变，使得半导体器件的核心——氧化锌p-n结结构很难制得，大大地限制了氧化锌基光电器件的开发应用。目前，p型氧化锌的研究已成为国际上的研究热点。

三、发展建议

从政府方面而言，要加大政策支持力度，从信贷、税收、土地等多个方面对企业发展进行大力扶持；加大创新资源投入，从人员、材料、物力等多个角度对第3代半导体材料的基础研发工作和关键共性技术问题研究进行重点支持；积极搭建信息共享平台、产业化发展促进平台等一批有效促进产业发展的平台或机构，构建完善的产业发展服务体系；制定完善的产业标准体系，规范企业发展和产品质量，营造公平的市场环境；积极培育具有竞争力的龙头企业，帮助企业打造几个具有国际影响力的大品牌；积极推动“官、产、学、研、用”的紧密结合，加快产业化实施进程等。

从企业方面而言，要积极引进国外先进技术，实现“消化-吸收-创新”，努力赶超国际先进技术水平；建设开放型人才体系，积极引进一批域内的高端人才，同时健全企业内部专业人才培养体系，组建一支强有力的科研创新队伍；紧跟世界发展前沿，加大研发投入；积极与高校和科研机构组建战略联盟，就人才培养和技术研发等开展密切合作；加强企业间的交流，尤其要积极参加国际交流活动，提升企业发展水平；关注企业品牌建设，努力打造企业的拳头产品等。