在現實世界中，沒有人可以和“半導體”撇清關系,。雖然這個概念聽上去可能顯得有些冰冷,，但是你每天用的電腦,，手機以及電視等等，都會用到半導體元件,。半導體的重要性自不必說,，今天我們來說一下半導體產業(yè)中一個很關鍵的組成部分，那就是半導體材料,。
半導體材料是制作晶體管,、集成電路、電力電子器件,、光電子器件的重要材料,。其發(fā)展經過了三個主要階段：以硅為代表的第一代半導體材料、以砷化鎵為代表的第二代半導體材料,、以碳化硅為代表的第三代半導體材料,。第三代半導體材料在眾多方面具有廣闊的應用前景，隨著技術的進步,，材料工藝與器件工藝的逐步成熟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(yè)的主宰,。
今天我們主要說的就是第三代寬禁帶半導體材料,。
第三代半導體材料—寬禁帶半導體材料
當前，電子器件的使用條件越來越惡劣,，要適應高頻,、大功率、耐高溫,、抗輻照等特殊環(huán)境,。為了滿足未來電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內在性能,。近年來,，新發(fā)展起來了第三代半導體材料－－ 寬禁帶半導體材料，該類材料具有熱導率高,、電子飽和速度高,、擊穿電壓高、介電常數低等特點,，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，功率密度達到40 W／mm,；在8 GHz,，功率密度達到30 W／mm；在18 GHz,，功率密度達到9．1 W／mm,；在40 GHz，功率密度達到10．5 W／mm,；在80．5 GHz,，功率密度達到2．1 W／mm,，等,。因此，寬禁帶半導體技術已成為當今電子產業(yè)發(fā)展的新型動力,。
進入21世紀以來,，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導體硅材料替代品的任務變得非常緊迫,。在多位選手輪番登場后,，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體材料,，已經形成了全球的材料、器件和應用產業(yè)鏈,。
SiC 器件和電路具有超強的性能和廣闊的應用前景,，因此一直受業(yè)界高度重視，基本形成了美國、歐洲,、日本三足鼎立的局面,。目前，國際上實現碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國的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,；德國的SiCrystal 公司，等,。其中Cree 公司和SiCrystal 公司的市場占有率超過85％,。在所有的碳化硅制備廠商中以美國Cree 公司最強，其碳化硅單晶材料的技術水平可代表了國際水平,，專家預測在未來的幾年里Cree 公司還將在碳化硅襯底市場上獨占鰲頭,。美國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,。
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＊的半導體,，在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結構,，它在一個元胞中有4個原子,，原子體積大約為GaAs 的1／2；其化學性質穩(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）、高異質結面電荷密度（1×1013 cm－2）等,，因而被認為是研究短波長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 范圍的高頻波段應用,，這覆蓋了移動通信,、無線網絡、點到點和點到多點微波通信,、雷達應用等波段,。近年來，以GaN 為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領域和微波器件方面的應用前景而受到廣泛的關注,。
作為一種具有獨特光電屬性的半導體材料,，GaN 的應用可以分為兩個部分：憑借GaN 半導體材料在高溫高頻、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體材料,；憑借GaN半導體材料寬禁帶,、激發(fā)藍光的獨特性質開發(fā)新的光電應用產品。目前GaN 光電器件和電子器件在光學存儲,、激光打印,、高亮度LED 以及無線基站等應用領域具有明顯的競爭優(yōu)勢，其中高亮度LED,、藍光激光器和功率晶體管是當前器件制造領域最為感興趣和關注的,。
GaN 功率器件的制作工藝與GaAs 工藝相似度高,，甚至很多設備都是同時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,。目前,，整個GaN 功率半導體產業(yè)處于起步階段，各國政策都在大力推進該產業(yè)的發(fā)展,。國際半導體大廠也紛紛將目光投向GaN 功率半導體領域,，關于GaN 器件廠商的收購、合作不斷發(fā)生,，650V以下的平面型HEMT器件已經實現了產業(yè)化,。
碳化硅與氮化鎵的優(yōu)缺點：
第三代寬禁帶半導體材料應用領域
半導體照明
LED襯底類別包括藍寶石,、碳化硅、硅以及氮化鎵,。藍光LED在用襯底材料來劃分技術路線,。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,，更高的電光轉換效率從根本上帶來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,、熱導率大,、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)越特性,，是迄今理論上電光,、光電轉換效率最高的材料體系。時至今日,，氮化鎵襯底相對于藍寶石,、碳化硅等襯底的性能優(yōu)勢顯而易見，最大難題在于價格過高,。
功率器件
2015年,，SiC功率半導體市場（包括二極管和晶體管）規(guī)模約為2億美元，到2021年,，其市場規(guī)模預計將超過5．5億美元,，這期間的復合年均增長率預計將達19％。毫無懸念,，消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場,，仍將是SiC功率半導體最主要的應用。
目前市場上主要GaN產品是應用于高功率密度DC／DC電源的40－200伏增強性高電子遷移率異質節(jié)晶體管（HEMT）和600伏HEMT混合串聯開關,，國外廠商主要有EPC,、IR、Transphorm,、Panasonic,、ExaGaN、GaN Systems等公司,。中國GaN相關企業(yè)有IDM公司中航微電子,、蘇州能訊，材料廠商中稼半導體,、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,、智能武器和通信系統(tǒng)等方面,。在未來,，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領域。市調公司Yole預測,，2016～2020年GaN射頻器件市場將擴大至目前的2倍,，市場復合年增長率（CAGR）將達到4％；2020年末,，市場規(guī)模將擴大至目前的2．5倍,。GaN在國防領域的應用主要包括IED干擾器、軍事通訊,、雷達,、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產品中得到應用,，充分體現其在提高功率,、縮小體積和簡化設計方面的巨大優(yōu)勢。
激光器和探測器
在激光器和探測器應用領域,，GaN激光器已經成功用于藍光DVD,，藍光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領域,，藍色激光器和綠光激光器產值約為2億美元,，如果技術瓶頸得到突破，潛在產值將達到500億美元,。2014年諾貝爾獎獲得者中村修二認為下一代照明技術應該是基于GaN激光器的“激光照明”,，有望將照明和顯示融合發(fā)展。目前,，只有國外的日本日亞公司（Nichia）,、和德國的歐司朗（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器,。GaN基紫外探測器可用于導彈預警、衛(wèi)星秘密通信,、各種環(huán)境監(jiān)測,、化學生物探測等領域，例如核輻射探測器,，X射線成像儀等,，但尚未實現產業(yè)化,。
半導體材料發(fā)展趨勢
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(yōu)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(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(yè)的主宰。
我國彎道超車的機會來了,？
雖然我國寬禁帶功率半導體創(chuàng)新發(fā)展的時機已經逐步成熟,，處于重要窗口期。然而目前行業(yè)面臨的困難仍然很多,，一個產業(yè)的發(fā)展與兩個方面有關：一個是技術層面,，另一個重要問題就是產業(yè)的生態(tài)環(huán)境。
目前國內產業(yè)的創(chuàng)新鏈并沒有打通,，整體創(chuàng)新環(huán)境較差,。從事寬禁帶半導體研發(fā)的研究機構、企業(yè)單體規(guī)模小,，資金投入有限,，研發(fā)創(chuàng)新速度慢，成果轉化困難,。
然而在寬禁半導體材料方面卻有比較樂觀的一面,，中鎵半導體目前已建成國內首家專業(yè)的GaN襯底材料生產線，制造出厚度達1100微米的自支撐GaN襯底,，并能夠穩(wěn)定生產,。2018年2月初，中鎵半導體氮化鎵襯底量產技術獲得重大突破,，實現國內首創(chuàng)4英寸GaN自支撐襯底的試量產,。
天域半導體是我國首家專業(yè)從事第三代半導體碳化硅外延片研發(fā)、生產和銷售的高新技術企業(yè),。據悉,，早在2010年，該公司就與中國科學院半導體所合作成立了“碳化硅技術研究院”,。目前,，天域半導體可提供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、電子專用設備等電子信息基礎產品的高科技上市公司,。
第三代寬禁帶半導體材料,，可以被廣泛應用在各個領域，且具備眾多的優(yōu)良性能,，可突破第一,、二代半導體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場看好的同時,，隨著技術的發(fā)展有望全面取代第一,、二代半導體材料。目前,，美國,、日本、歐洲在第三代半導體SiC,、GaN,、AlN等技術上擁有絕對的話語權。相比美,、日,，我國在第三半導體材料上的起步較晚，水平較低,，但由于第三代半導體還有很大的發(fā)展空間,，各國都處于發(fā)力階段，因此被視作一次彎道超車的機會,。
總結
我國展開SiC,、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平比較低,。但是隨著國家戰(zhàn)略層面支持力度的加大,，且具有迫切的市場需求，因此我國將有望集中優(yōu)勢力量一舉實現技術突破,！
路漫漫其修遠兮,，吾將上下而求索?；蛟S是概括這一行業(yè)的最好判語了,。