王興艷

第3代半導(dǎo)體材料即寬禁帶半導(dǎo)體材料，又稱(chēng)高溫半導(dǎo)體材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石等。這類(lèi)材料具有寬的禁帶寬度（禁帶寬度大于2.2eV）、高的熱導(dǎo)率、高的擊穿電場(chǎng)、高的抗輻射能力、高的電子飽和速率等特點(diǎn)，適用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的制作。第3代半導(dǎo)體材料憑借著其優(yōu)異的特性，未來(lái)應(yīng)用前景十分廣闊。

一、大力發(fā)展第3代半導(dǎo)體的必要性和緊迫性

第3代半導(dǎo)體材料可用于制作新一代電力電子器件，應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)家安全保障的各個(gè)領(lǐng)域。一方面，從社會(huì)發(fā)展的角度，當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)于電力電子器件提出更高的要求，如抗輻射、高功率、高能效等，第3代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用可以有效滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展對(duì)電力電子器件的新要求；另一方面，從國(guó)家安全角度來(lái)看，第3代半導(dǎo)體材料可應(yīng)用于軍用飛機(jī)、陸地坦克以及高性能雷達(dá)系統(tǒng)等軍事裝備?？梢?jiàn)，積極發(fā)展第3代半導(dǎo)體材料利國(guó)利民。

此外，大力發(fā)展第3代半導(dǎo)體材料是有效實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能降耗的有效途徑。第3代半導(dǎo)體材料制成電子器件應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，表1為SiC材料的應(yīng)用，可有效提升效率，降低損耗。

同時(shí)，第3代半導(dǎo)體材料是各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。第3代半導(dǎo)體材料因其優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用，已受到世界各國(guó)的重視，美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)均將其置于重要的戰(zhàn)略位置，對(duì)其投入巨資進(jìn)行支持。如2013年日本政府將SiC納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來(lái)50%的節(jié)能要通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)；2014年1月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布設(shè)立國(guó)家下一代電力電子制造業(yè)創(chuàng)新研究所，5年內(nèi)將至少投入1.4億美元，對(duì)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行研究，從而使電力電子器件更加快速、高效和小巧。

二、第3代半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

從目前第3代半導(dǎo)體材料和器件的研究來(lái)看，SiC和GaN較為成熟，而ZnO、AlN和金剛石等第3代半導(dǎo)體材料的研究還處于起步階段。

1.SiC的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

（1）發(fā)展現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)硅（Si）材料相比，SiC材料各項(xiàng)性能如表2。依據(jù)不同的性能，制成的SiC器件廣泛應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域。如憑借其良好的導(dǎo)熱性，制成SiC器件可以被用在高溫工作環(huán)境中，如石油和地?zé)徙@井勘探、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空、航天探測(cè)、核能開(kāi)發(fā)、衛(wèi)星等應(yīng)用領(lǐng)域；憑借其寬禁帶和高化學(xué)穩(wěn)定性，SiC器件可以被用在抗輻射領(lǐng)域；憑借其高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，制成高功率SiC器件應(yīng)用在雷達(dá)、通信和廣播電視領(lǐng)域；憑借其高電子飽和速率，制成高頻和微波SiC器件更是不可替代。不僅如此，SiC材料還是發(fā)光二極管和激光二極管的重要襯底材料。

目前，全球SiC材料的生產(chǎn)商主要包括美國(guó)的科銳（Cree）公司、道康寧（Dow Corning）和II-VI公司，德國(guó)的SiCrystal公司，以及我國(guó)的北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北京天科合達(dá)”）、山東天岳晶體材料有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“山東天岳”）、東莞市天域半導(dǎo)體科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“東莞天域”）以及瀚天天成電子科技（廈門(mén)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“廈門(mén)瀚天天成”）等，詳見(jiàn)表3。其中美國(guó)Cree公司是全球最大的SiC材料供應(yīng)商，德國(guó)SiCrystal公司是歐洲市場(chǎng)的主要供應(yīng)商。

我國(guó)SiC材料產(chǎn)業(yè)起步晚。早在1991年，美國(guó)Cree公司就成功推出SiC材料，而我國(guó)在20世紀(jì)90年代末才開(kāi)始著手研究SiC材料，直到2006年9月才成立了首家SiC材料生產(chǎn)企業(yè)——北京天科合達(dá)。隨著近幾年SiC材料的快速發(fā)展，我國(guó)SiC材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)水平與國(guó)外差距正在縮小。2011年北京天科合達(dá)準(zhǔn)備進(jìn)入4英寸SiC晶體量產(chǎn)，2013年開(kāi)始進(jìn)行6英寸SiC晶體研發(fā)工作。如今，北京天科合達(dá)已經(jīng)建成了SiC生長(zhǎng)以及加工、檢測(cè)、清洗、封裝的生產(chǎn)線(xiàn)，發(fā)展成為亞太地區(qū)SiC晶片生產(chǎn)制造的先行者。

目前，國(guó)內(nèi)許多高校和研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展SiC晶體生產(chǎn)的研究工作，這為我國(guó)SiC材料研究工作的開(kāi)展搭建了很好的研發(fā)平臺(tái)，表4是國(guó)內(nèi)SiC晶體的重點(diǎn)研發(fā)單位。當(dāng)前，SiC晶片在我國(guó)研發(fā)尚屬起步階段，SiC晶片在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用較少，SiC材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展缺乏下游應(yīng)用企業(yè)的支撐。

（2）發(fā)展趨勢(shì)

SiC材料十分符合低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，備受各國(guó)的關(guān)注，未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊。以半導(dǎo)體電源為例，當(dāng)前全球整個(gè)半導(dǎo)體電源市場(chǎng)規(guī)模是340億美元，但是碳化硅電源半導(dǎo)體市場(chǎng)占整個(gè)半導(dǎo)體電源市場(chǎng)的比例尚不足1%。據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析預(yù)測(cè)，碳化硅半導(dǎo)體電源市場(chǎng)將在未來(lái)10年內(nèi)得到快速發(fā)展并在市場(chǎng)上占據(jù)一定的規(guī)模。今后，隨著SiC材料在電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、電源輸送元器件、LED照明、光伏應(yīng)用等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，SiC材料將保持高速發(fā)展。據(jù)Market Research研究表明，在未來(lái)的10年內(nèi)碳化硅的生產(chǎn)商有望達(dá)到38%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。

2.GaN的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

（1）發(fā)展現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)Si材料相比，GaN材料各項(xiàng)性能如表5。利用GaN材料低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場(chǎng)，可以研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件，制成金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HFET）、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件；利用其寬帶隙特性，制成藍(lán)光發(fā)光器件、綠光發(fā)光器件、高亮度LED等多種類(lèi)型發(fā)光器件，其中制成的藍(lán)光發(fā)光器件可應(yīng)用于高密度光盤(pán)信息存取、全光顯示、激光打印機(jī)等領(lǐng)域，制成的高亮度LED可用于汽車(chē)照明、交通信號(hào)、高密度DVD存儲(chǔ)等。總之，作為第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，GaN材料是未來(lái)新一代光電子、功率電子和高頻微電子器件的重要支撐材料。

20世紀(jì)90年代之后，LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展大大促進(jìn)了GaN的發(fā)展，其年均增長(zhǎng)率超過(guò)30%。進(jìn)入新世紀(jì)， GaN開(kāi)始進(jìn)軍大功率電子器件市場(chǎng)。目前，全球涉足GaN器件的公司主要有美國(guó)的國(guó)際整流器公司、射頻微系統(tǒng)公司、飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司，德國(guó)的Azzurro公司，英國(guó)的普萊思公司，日本的富士通公司和松下公司，加拿大的氮化鎵系統(tǒng)公司等。而在2012年，全球僅有2～3家器件供應(yīng)商，2013年后陸續(xù)有多家公司推出新產(chǎn)品，GaN器件市場(chǎng)開(kāi)始得以快速發(fā)展。如2013年美國(guó)IR開(kāi)始商業(yè)裝運(yùn)GaN功率器件，同年德國(guó)Azzurro公司推出“1Bin”硅基氮化鎵LED晶圓，美國(guó)射頻微系統(tǒng)公司推出世界首個(gè)用于制造射頻功率晶體管的碳化硅基氮化鎵晶圓，東芝推出第2代硅基氮化鎵白色LED，英國(guó)普萊思半導(dǎo)體公司（Plessey）推光效翻倍的新一代硅基氮化鎵LED。2015年，美國(guó)Qorvo公司推出雷達(dá)和無(wú)線(xiàn)電通信用塑料封裝氮化鎵晶體管，日本松下宣稱(chēng)2016年量產(chǎn)用于電源和馬達(dá)控制的GaN半導(dǎo)體。

2012年全球氮化鎵器件市場(chǎng)占有率由高到低依次為美國(guó)、歐洲、亞洲和世界其他地區(qū)，其中美國(guó)在全球市場(chǎng)占有率達(dá)32.1%。據(jù)美國(guó)透明度市場(chǎng)研究公司稱(chēng)，2012年氮化鎵半導(dǎo)體器件市場(chǎng)產(chǎn)值約為3.8億美元，其中軍事國(guó)防和宇航部分占據(jù)氮化鎵半導(dǎo)體市場(chǎng)的最高份額。

我國(guó)在GaN半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步晚、起點(diǎn)低，為了趕超國(guó)際水平，國(guó)內(nèi)近幾年作了很大努力，但是仍然存在較大差距，如在大尺寸GaN HEMT外延材料工程化和產(chǎn)業(yè)化方面。目前國(guó)際上產(chǎn)業(yè)化主流水平為4英寸，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并已經(jīng)開(kāi)始6英寸關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作，而我國(guó)在GaN HEMT外延材料方面基本上還處于4英寸的研發(fā)階段，雖有部分實(shí)現(xiàn)小批量試產(chǎn)，但尚未形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。

（2）發(fā)展趨勢(shì)

由于GaN材料所具有的噪聲系數(shù)優(yōu)良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不僅能夠滿(mǎn)足軍事雷達(dá)、激光探測(cè)、宇航、電動(dòng)汽車(chē)、高速列車(chē)、太陽(yáng)能、發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域的要求，同時(shí)也順應(yīng)了我國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)。隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和軍事需求的增加，我國(guó)對(duì)高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長(zhǎng)，GaN材料發(fā)展有著巨大的市場(chǎng)前景。未來(lái)10年，GaN材料消費(fèi)年復(fù)合增長(zhǎng)率將超過(guò)20%，并有望成為繼硅和砷化鎵等關(guān)鍵材料之后新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

3.其他材料

（1）金剛石

金剛石是一種極具優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體材料，它既能作為有源器件材料制作場(chǎng)效應(yīng)管、功率開(kāi)關(guān)等器件，也能作為無(wú)源器件材料制成肖特基二極管。而且，由于金剛石具有最高的熱導(dǎo)率和極高的電荷遷移率，其制成的半導(dǎo)體器件能夠用在高頻、高功率、高電壓等惡劣環(huán)境中。

目前，自支撐單晶本征金剛石的制備以及硼摻雜技術(shù)已趨于成熟，金剛石摻硼的p-型材料已基本實(shí)用化。但在金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域仍存在許多問(wèn)題亟待突破。首先，由于n-型摻雜問(wèn)題尚未突破，難以得到合格的n-型導(dǎo)電材料，嚴(yán)重制約了金剛石半導(dǎo)體在電子領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，雖然大量高質(zhì)量、超高純度、具有半導(dǎo)體性能的金剛石材料的制備技術(shù)取得一定進(jìn)展，但制備成本很高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)。此外，金剛石在制作器件過(guò)程中的處理技術(shù)往往會(huì)影響器件性能，微處理技術(shù)的提高也有待改進(jìn)提高。

（2）氮化鋁（AlN）

AlN是一種具有寬的禁帶寬度（6.2eV）的新型半導(dǎo)體材料，在微電子、光學(xué)、電子元器件、聲表面波器件（SAW）制造、高頻寬帶通信和功率半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。如利用其高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高電阻率、高化學(xué)穩(wěn)定性和高熱穩(wěn)定性，可用于電子器件、電子封裝、介質(zhì)隔離等；利用其寬禁帶寬度，將其作為藍(lán)光、紫光等發(fā)光材料；此外，還可以利用其壓電性能、高的聲表面波傳播速度和高的機(jī)電耦合系數(shù)等特點(diǎn)，將其作為高頻表面波器件的壓電材料。

目前AlN基片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是為了實(shí)現(xiàn)AlN在微電子、光電子及聲表面波器件的應(yīng)用，還需要在不同襯底上制備AlN外延薄膜材料，但其制備方法和制備設(shè)備都限制其產(chǎn)業(yè)化。一方面，AlN薄膜制備設(shè)備復(fù)雜且造價(jià)昂貴；另一方面AlN薄膜制備方法仍需進(jìn)一步完善。從目前制備方法來(lái)看，較成熟的制備方法需要需要把襯底加熱到一定溫度，但集成光學(xué)器件生產(chǎn)過(guò)程中為避免襯底材料熱損傷往往要求薄膜制備過(guò)程保持在較低溫度。目前雖然有報(bào)道稱(chēng)在較低溫度下制備出AlN薄膜，但其制備方法尚不成熟。

（3）氧化鋅（ZnO）

ZnO也是一種具有寬禁帶寬度（3.37eV）的半導(dǎo)體材料，借助其優(yōu)異的透明導(dǎo)電性，可用于制作太陽(yáng)能電池的透明電極和透明窗口材料；借助其優(yōu)良的高頻特性、壓電性能、高機(jī)電耦合系數(shù)和低介電常數(shù)，可用于制作壓電器件、表面聲波器件等；借助其激發(fā)發(fā)射近紫外光和藍(lán)光的優(yōu)越條件，可以開(kāi)發(fā)出紫光、綠光、藍(lán)光等多種發(fā)光器件；借助其較高的激子束縛能（60meV，約為GaN的3倍），在室溫下即可受激發(fā)射，可以制備短波長(zhǎng)光電器件等。

目前紅色LED和綠光LED顯示器件已有商品問(wèn)世，但彩色顯示器和氧化鋅基光電器件尚未實(shí)現(xiàn)商品化。彩色顯示未商業(yè)化的原因主要是藍(lán)光亮度和色純度未達(dá)到實(shí)用水平，無(wú)法通過(guò)三基色實(shí)現(xiàn)彩色顯示。氧化鋅基光電器件未商業(yè)化主要是氧化鋅作為一種n型半導(dǎo)體，難以實(shí)現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變，使得半導(dǎo)體器件的核心——氧化鋅p-n結(jié)結(jié)構(gòu)很難制得，大大地限制了氧化鋅基光電器件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。目前，p型氧化鋅的研究已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。

三、發(fā)展建議

從政府方面而言，要加大政策支持力度，從信貸、稅收、土地等多個(gè)方面對(duì)企業(yè)發(fā)展進(jìn)行大力扶持；加大創(chuàng)新資源投入，從人員、材料、物力等多個(gè)角度對(duì)第3代半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)研發(fā)工作和關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題研究進(jìn)行重點(diǎn)支持；積極搭建信息共享平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展促進(jìn)平臺(tái)等一批有效促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的平臺(tái)或機(jī)構(gòu)，構(gòu)建完善的產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)體系；制定完善的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量，營(yíng)造公平的市場(chǎng)環(huán)境；積極培育具有競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭企業(yè)，幫助企業(yè)打造幾個(gè)具有國(guó)際影響力的大品牌；積極推動(dòng)“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用”的緊密結(jié)合，加快產(chǎn)業(yè)化實(shí)施進(jìn)程等。

從企業(yè)方面而言，要積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“消化-吸收-創(chuàng)新”，努力趕超國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平；建設(shè)開(kāi)放型人才體系，積極引進(jìn)一批域內(nèi)的高端人才，同時(shí)健全企業(yè)內(nèi)部專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系，組建一支強(qiáng)有力的科研創(chuàng)新隊(duì)伍；緊跟世界發(fā)展前沿，加大研發(fā)投入；積極與高校和科研機(jī)構(gòu)組建戰(zhàn)略聯(lián)盟，就人才培養(yǎng)和技術(shù)研發(fā)等開(kāi)展密切合作；加強(qiáng)企業(yè)間的交流，尤其要積極參加國(guó)際交流活動(dòng)，提升企業(yè)發(fā)展水平；關(guān)注企業(yè)品牌建設(shè)，努力打造企業(yè)的拳頭產(chǎn)品等。