1、半導體材料的發展現狀及未來展望智能1601 41623405 呂懿前言：半導體材料（semiconductor material）是一類具有半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間，電阻率約在1m·cm1G·cm范圍內）、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎材料，支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標志。一、 第3代半導體材料及應用半導體材料的發展可以劃分為三個時代。第1代半導體材料以硅(Si)和鍺(Ge)等元

2、素半導體材料為代表，奠定了微電子產業基礎。其典型應用是集成電路(Integrated Circuit,IC)，主要應用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測器，在未來一段時間，硅材料的主導地位仍將存在。但硅材料的物理性質限制了其在高壓和高頻電子器件上的應用。第2代半導體材料以GaAs和磷化錮(InP)為代表，奠定了信息產業基礎。GaAs材料的電子遷移率是Si的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對Si器件具有高頻、高速的性能，被公認為是很合適的通信用半導體材料。同時，其在軍事電子系統中的應用日益廣泛且不可替代。然而，由于禁帶寬度范圍不夠大、擊穿電場較低，限制了其在高溫、高頻和高功率器件領域的應用。另外，G

3、aAs材料具有毒性，對環境和人類健康存在威脅。第3代半導體材料是指帶隙寬度明顯大于Si(1.1eV)和GaAs(1.4eV)的寬禁帶半導體材料(2.0-6.0eV)，包括III族氮化物如氮化稼(GaN)、氮化鋁(A1N)等，碳化硅(SiC)，寬禁帶氧化物(如氧化鋅(ZnO)、氧化稼(Ga2O3)、鈣欽礦(CaTiO3)等)及金剛石薄膜等寬禁帶半導體材料。與第1代、第2代半導體材料相比，第3代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優越性質，第3代半導體器件不僅能在更高的溫度下穩定運行，而且在高電壓、高頻率狀態下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的

4、運行能力。第3代半導體材料主要有3大應用領域:電力電子、微波射頻和光電子。產業鏈主要包括材料、器件和應用環節，具體如圖1所示。它具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優越性能，是固態光源、下一代射頻和電力電子器件的“核心”，在半導體照明、消費類電子、5G移動通信、新能源汽車、智能電網、軌道交通等領域有廣闊的應用前景，有望突破傳統半導體技術的瓶頸，與第1代、第2代半導體技術互補，對節能減排、產業轉型升級、催生新的經濟增長點發揮重要作用，正在成為全球半導體產業新的戰略高地。我國在半導體照明方面已經形成完整的產業鏈和一定的產業規模，成為全球發展最快的區域，為第3代半

5、導體在其他領域的應用奠定了良好的基礎。但我國在電力電子、通訊等領域的研發和產業化與國外差距較大，需要加大研發投人，建立體制機制創新的研發創新和科技服務平臺，構建立足地方、帶動全國、引領世界的跨學科、跨行業、跨區域的第3代半導體創新價值鏈，重塑全球半導體產業發展格局。圖1 第3代半導體產業鏈結構二、 半導體材料的發展現狀國際上第3代半導體材料已經取得了原理性的科學突破，即將進人顛覆性技術創新和應用的階段。第3代半導體材料科學的基礎性研究和產業化技術已經在美國、日本、歐盟3大區域初步發展成熟。第3代半導體科技的發展，不僅表現在襯底及外延材料尺寸不斷由小直徑向大直徑發展，也體現在材料質量與器件性能的

6、不斷飛躍。與此同時成本和價格不斷下降，推動了相關產業的升級發展。我國開展第3代半導體的研究工作雖然起步比發達國家稍晚，但在國家科技計劃項目多年連續支持下，在技術和人才方面形成了良好的積累和基礎，并在國防、電動汽車等領域已開始相關器件的應用。依托我國巨大的潛在應用市場，通過需求牽引，有望帶領我國第3代半導體在新時期實現“彎道超車”，搶占第3代半導體戰略制高點。在微波射頻領域，GaN器件在民用市場和軍用市場都已經實現規模化應用。在民用市場，GaN射頻器件在5G通信領域需求顯著。5G通信的數據流量需求將是現有技術流量的1000倍以上，屆時對GaN射頻器件的使用量將為現有GaAs器件的100倍以上。日

7、本松下公司已推出業界最小的增強型600V一GaN功率晶體管。在軍用市場，GaN射頻器件需求快速增長，僅戰斗機雷達對GaN射頻功率模塊的需求就將達到7 500萬只。目前，美國海軍新一代干擾機吊艙及空中和導彈防御雷達(AMDR)已采用GaN射頻功放器件替代GaAs器件。據Yole預測，2020年末，GaN射頻器件市場規模將擴大至目前的2倍，達到7.5億美元，年均復合增長率20% 。我國4G和5G網絡建設對GaN射頻器件需求同樣巨大。CSA Research預測，到2020年，我國GaN射頻器件產業的將達到104億元，較現有市場規模翻2番(詳見圖2)。僅在移動通訊基站應用領域，我國的GaN射頻器件的

8、市場規模約為30億元，將帶動射頻功率模塊產值超60億元，進而帶動4G及5G移動通信基站終端設備市場規模達約800億元。圖2 2020年我國第3代半導體微波射頻市場規模預測在光電子領域，從全球范圍看，目前基于第3代半導體技術的半導體照明替代傳統光源已出現井噴式增長，美國、歐洲等國家在光品質及智能化等方面正加速發展。半導體照明已經在景觀照明、液晶背光、大型顯示屏等領域得到廣泛應用，在汽車照明、大尺寸液晶背光領域的應用也進人規模化階段。半導體照明在通用照明領域的應用已經全面啟動，正成為其最大的應用市場。我國第3代半導體材料成功產業化的第一個突破口便是半導體照明產業。我國半導體照明產業發展迅速，已經形

9、成了完整的產業鏈，產業規模持續增長(詳見圖3)，芯片從無到有，創新應用走在世界前列，成為全球發展最快的區域，為實現我國第3代半導體材料及應用的發展奠定了良好的基礎。總體來說，我國半導體照明技術與應用接近國際先進水平，自主知識產權的Si襯底LED、可見光定位等創新應用處于國際領先水平；在第3代半導體電子器件應用方面，日、美、歐在地鐵機車、新能源汽車、白色家電、光伏逆變器等領域實現了應用，而我國只在光伏逆變器等領域實現了應用。圖3 2015年我國半導體照明產業各環節產業規模及增長率三、 未來展望面向全球性節能減排需求，發展基于第3代半導體材料的高效電能轉換技術刻不容緩。國際上照明耗能約占總電功率的

10、20%，目前我國大陸地區占總電功率的12%-13%，預計到2020年將占19%。LED照明能效有望提高50%-70%，節能效果極其可觀。另外80%以上的用電能耗在白色家電、電子信息設備、可再生能源并網、工業電機驅動、軌道交通等眾多領域中，節能潛力巨大。第3代半導體的應用將掀起綠色能源消費的巨大變革。移動互聯、大數據的信息化社會對第3代半導體材料提出了迫切需求。“互聯網+”作為一種新的經濟形態，將與社會經濟各領域深度融合，并將成為提升實體經濟創新力和生產力的技術基礎，而基于互聯網的移動通訊產業、大數據產業必將迅猛發展，支撐大量移動終端、海量數據傳輸、數據中心運行的材料需求非常迫切。第3代半導體材

11、料由于工作頻率高、功率大、穩定性強，能夠制造高效節能，小型化、輕量化、低成本的器件，將成為發展新一代移動通訊的重要選擇。空天、國防技術和現代大型牽引電力等設備的重大需求。航空、航天和國防應用都有嚴格的體積、質量和尺寸限制。GaN材料的功率密度是現有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，正在并將更廣泛應用于雷達、電子對抗、智能化系統及火控裝備等空天和國防領域。結語：寬禁帶半導體材料作為一類新型材料，具有獨特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優異的性能，在眾多方面具有廣闊的應用前景。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；能夠拓寬發光光譜，實現全彩顯示。隨著寬禁帶技術的進步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現，在高端領域將逐步取代第一代、第二代半導體材料，成為電子信息產業的主宰。參考文獻：1、 半導體材料-維基百科2、 王龍興.中國半導體材料業的狀況分析.上海市集成電路行業協會，20123、 郝建群等.第3代半導