史上最全第三代半導體產業(yè)發(fā)展介紹（附世界各國研究概況解析）

來源:|作者:id1506174|發(fā)布時間: 2018-01-03

   第3代半導體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料，各類半導體材料的帶隙能比較見表1。與傳統(tǒng)的第1代、第2代半導體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第3代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨特的性能，使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現(xiàn)出巨大的潛力，是世界各國半導體研究領域的熱點。

史上最全的第三代半導體材料，世界各國研究概況解析！

        材料、信息、能源構筑的當代文明社會，缺一不可。半導體不僅具有極其豐富的物理內涵，而且其性能可以置于不斷發(fā)展的精密工藝控制之下，可謂是"最有料"的材料。在不久的將來，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料的應用，無論是在軍用領域還是在民用市場，都是世界各國爭奪的戰(zhàn)略陣地。

        導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體，半導體材料是一類具有半導體性能、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。

        目前的半導體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代半導體材料主要以硅（Si）、鍺（Ge）為主，20世紀50年代，Ge在半導體中占主導地位，主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但是Ge半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被Si器件取代。用Si材料制造的半導體器件，耐高溫和抗輻射性能較好。Si儲量極其豐富，提純與結晶方便，二氧化硅（SiO2）薄膜的純度很高，絕緣性能很好，這使器件的穩(wěn)定性與可靠性大為提高，因此Si已經(jīng)成為應用最廣的一種半導體材料。目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是由Si材料制作。在21世紀，它的主導和核心地位仍不會動搖。但是Si材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。

        20世紀90年代以來，隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS導航等領域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，能污染環(huán)境，InP甚至被認為是可疑致癌物質，這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有很大的局限性。

        第三代半導體材料主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導體材料。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是半導體材料領域最有前景的材料，在國防、航空、航天、石油勘探、光存儲等領域有著重要應用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，對人類科技的發(fā)展具有里程碑的意義。

        在寬禁帶半導體材料領域就技術成熟度而言，碳化硅是這族材料中最高的，是寬禁帶半導體的核心。 SiC材料是IV-IV族半導體化合物，具有寬禁帶(Eg：3.2eV)、高擊   穿電場(4×106V/cm)、高熱導率(4.9W/cm.k)等特點。從結構上講，SiC材料屬硅碳原子對密排結構，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面體空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面體空位。對于碳化硅密排結構，由單向密排方式的不同產生各種不同的晶型,業(yè)已發(fā)現(xiàn)約200種。目前最常見應用最廣泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特別適用于微電子領域，用于制備高頻、高溫、大功率器件；6H-SiC特別適用于光電子領域，實現(xiàn)全彩顯示。

         隨著SiC技術的發(fā)展，其電子器件和電路將為系統(tǒng)解決上述挑戰(zhàn)奠定堅實基礎。因此SiC材料的發(fā)展將直接影響寬禁帶技術的發(fā)展。

         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(xiàn)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、DowDcorning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。

        GaN材料是1928年由Johason等人合成的一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，

        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(xiàn)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(3.39eV)、高擊穿電壓(3×106V/cm)、高電子遷移率(室溫1000cm2/V·s)、高異質結面電荷密度(1×1013cm-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(wǎng)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。

        國外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，現(xiàn)在美國、日本和歐洲在氮化鎵體單晶材料研究方面都取得了一定的成果，都出現(xiàn)了可以生產氮化鎵體單晶材料的公司，其中以美國、日本的研究水平最高。

       美國有很多大學、研究機構和公司都開展了氮化鎵體單晶制備技術的研究，一直處于領先地位，先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生產出氮化鎵單晶襯底。Kyma公司現(xiàn)在已經(jīng)可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化鎵單晶襯底，且已研制出4英寸氮化鎵單晶襯底。

日本在氮化鎵襯底方面研究水平也很高，其中住友電工(SEI)和日立電線(HitachiCable)已經(jīng)開始批量生產氮化鎵襯底，日亞(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、東芝(Toshiba)等也開展了相關研究。日立電線的氮化鎵襯底，直徑達2英寸，襯底上位錯密度都達到1×106cm-2水平。

歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN和法國的Lumilog兩家公司。TopGaN生產GaN材料采用HVPE工藝，位錯密度1×107cm-2，厚度0.1～2mm，面積大于400mm2。綜上，國外的氮化鎵體單晶襯底研究已經(jīng)取得了很大進展，部分公司已經(jīng)實現(xiàn)了氮化鎵體單晶襯底的商品化，技術趨于成熟，下一步的發(fā)展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料 。

        AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接帶隙，可以廣泛應用于光電子領域。與砷化鎵等材料相比，覆蓋的光譜帶寬更大，尤其適合從深紫外到藍光方面的應用，同時Ⅲ族氮化物具有化學穩(wěn)定性好、熱傳導性能優(yōu)良、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等優(yōu)點，使得Ⅲ族氮化物器件相對于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，可以在更高頻率、更高功率、更高溫度和惡劣環(huán)境下工作，是最具發(fā)展前景的一類半導體材料。

AlN材料具有寬禁帶(6.2eV)，高熱導率(3.3W/cm·K)，且與AlGaN層晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配都更好，所以AlN是制作先進高功率發(fā)光器件(LED，LD)、紫外探測器以及高功率高頻電子器件的理想襯底材料。

       近年來，GaN基藍、綠光LED、LD、紫外探測器以及大功率高頻HEMT器件都有了很大發(fā)展 。在AlGaNHEMT器件方面，AlN與GaN材料相比有著更高的熱導率，而且更容易實現(xiàn)半絕緣；與SiC相比，則晶格失配更小，可以大大降低器件結構中的缺陷密度，有效提高器件性能。AlN是生長Ⅲ族氮化物外延層及器件結構的理想襯底，其優(yōu)點包括：與GaN有很小的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配；化學性質相容；晶體結構相同，不出現(xiàn)層錯層；同樣有極化表面；由于有很高的穩(wěn)定性并且沒有其它元素存在，很少會有因襯底造成的沾污。AlN材料能夠改善器件性能，提高器件檔次，是電子器件發(fā)展的源動力和基石。

       目前國外在AlN單晶材料發(fā)展方面，以美國、日本的發(fā)展水平為最高。 美國的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制備AlN基片技術，并實現(xiàn)產業(yè)化的唯一單位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或藍寶石襯底上淀積10～30μm的電絕緣AlN層。主要用作低缺陷電絕緣襯底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已經(jīng)有2、3、4、6英寸產品。日本的AlN技術研究單位主要有東京農工大學、三重大學、NGK公司、名城大學等，已經(jīng)取得了一定成果，但還沒有成熟的產品出現(xiàn)。另外俄羅斯的約菲所、瑞典的林雪平大學在HVPE法生長AlN方面也有一定的研究水平,俄羅斯NitrideCrystal公司也已經(jīng)研制出直徑達到15mm的PVTAlN單晶樣品。在國內，AlN方面的研究較國外明顯滯后，一些科研單位在AlNMOCVD外延生長方面，也有了初步的探索，但都沒有明顯的突破及成果。

        金剛石是碳結晶為立方晶體結構的一種材料。在這種結構中，每個碳原子以"強有力"的剛性化學鍵與相鄰的4個碳原子相連并組成一個四面體。金剛石晶體中，碳原子半徑小，因而其單位體積鍵能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(維氏硬度可達10400kg/mm2)。

另外，金剛石材料還具有禁帶寬度大(5.5eV)；熱導率高，最高達120W/cm·K(-190℃)，一般可達20W/cm.K(20℃)；傳聲速度最高，介電常數(shù)小，介電強度高等特點。金剛石集力學、電學、熱學、聲學、光學、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的半導體材料。依據(jù)金剛石優(yōu)良的特性，應用十分廣泛，除傳統(tǒng)的用于工具材料外，還可用于微電子、光電子、聲學、傳感等電子器件領域。   

        氧化鋅（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纖鋅礦結構的半導體材料，禁帶寬度為3.37eV；另外，其激子束縛能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束縛能使它在室溫下穩(wěn)定，不易被激發(fā)(室溫下熱離化能為26meV)，降低了室溫下的激射閾值，提高了ZnO材料的激發(fā)效率。 基于這些特點，ZnO材料既是一種寬禁帶半導體，又是一種具有優(yōu)異光電性能和壓電性能的多功能晶體。

它既適合制作高效率藍色、紫外發(fā)光和探測器等光電器件，還可用于制造氣敏器件、表面聲波器件、透明大功率電子器件、發(fā)光顯示和太陽能電池的窗口材料以及變阻器、壓電轉換器等 。相對于GaN，ZnO制造LED、LD更具優(yōu)勢，具預計，ZnO基LED和LD的亮度將是GaN基LED和LD的10倍，而價格和能耗則只有后者的1/10。

ZnO材料以其優(yōu)越的特性被廣泛應用，受到各國極大關注。

日、美、韓等發(fā)達國家已投入巨資支持ZnO材料的研究與發(fā)展，掀起世界ZnO研究熱潮。 據(jù)報道，日本已生長出直徑達2英寸的高質量ZnO單晶；我國有采用CVT法已生長出了直徑32mm和直徑45mm、4mm厚的ZnO單晶。材料技術的進步同時引導和推進器件技術的進步，日本研制出基于ZnO同質PN結的電致發(fā)光LED；我國也成功制備出國際首個同質ZnO－LED原型器件，實現(xiàn)了室溫下電注入發(fā)光。器件制備技術的進步，推動ZnO半導體材料實用化進程，由于其獨特的優(yōu)勢，在國防建設和國民經(jīng)濟上將有很重要的應用，前景無限。

半導體照明

        半導體照明技術及其產品正向著更高光效、更低成本、更可靠、更多元化領域和更廣泛應用的方向發(fā)展。新型襯底上外延高效率GaN-LED正是突破藍寶石襯底外延瓶頸的發(fā)展趨勢。SiC是除了藍寶石之外，作為GaN外延襯底使用最多的材料。但是，眼下SiC 襯底的市場主要被Cree公司壟斷，導致其市場價格遠高于藍寶石，所以SiC 襯底的應用還遠沒有藍寶石那樣廣泛。

美國Cree公司依靠其掌握的SiC晶體制備和LED外延等關鍵技術，逐步實現(xiàn)了從SiC襯底到LED外延、芯片封裝、燈具設計的完整照明器件產業(yè)鏈，壟斷了整個SiC襯底LED照明產業(yè)。2013年，Cree公司報道的LED發(fā)光效率已經(jīng)超過276lm/W。Cree的LED照明產業(yè)的年產值達到了12億美元，市場規(guī)模增長迅速。由此可見，SiC襯底LED在照明產業(yè)中占據(jù)的市場規(guī)模不容小覷，表現(xiàn)出很強的市場競爭力和技術競爭力。

另外，采用自支撐 GaN 襯底制備LED可以最大程度地降低LED外延結構的晶格失配和熱失配，實現(xiàn)真正的同質外延，可以大幅度降低由異質外延引起的位錯密度。國際上相關報道較多的幾個研究組是美國的通用公司（GE）、加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）、佐治亞理工學院（Georgia Tech）、西弗吉尼亞大學（West Virginia）大學、以及日本的住友（Sumitomo） 電工、松下（Panasonic）和三菱（Mitsubishi）等。美國 UCSB 的研究人員在2012年報道自支撐GaN襯底上同質外延LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過160lm/W。并且在較高電流密度下，光輸出依然沒有飽和，且反向漏電流極低。在高注入電流條件下，GaN同質襯底外延技術表現(xiàn)出藍寶石外延技術所沒有的性能優(yōu)勢。

短波長激光器

       大功率、低成本的短波長激光器一直是激光技術研究的重點和難點，而III族氮化物材料體系的光譜特性決定其將在短波長固態(tài)激光器領域大顯身手。

氮化物半導體激光器具有結構簡單、體積小、壽命長、易于調制等特點，有助于實現(xiàn)更高的亮度、更長的壽命和更豐富的色彩。信息科技的發(fā)展迫切需要功率密度更高、發(fā)光波長更短的激光器。

由于綠色光在水下的損耗較小，綠光半導體激光器可用于深海光無線通信，其具有抗干擾、保密性好的優(yōu)點。藍色和紫外光激光器由于其波長短，能量高，能實現(xiàn)更大的存儲密度（單張單層藍光光盤的存儲密度最少為25GB，是普通DVD光盤的5倍），在信息領域將對數(shù)據(jù)的光存儲產生革命性的影響。

近年來，綠光激光器的重點突破是基于GaN襯底的高In組分同質外延和二次外延技術，實現(xiàn)InGaN材料中In組分超過35%，激射波長達到510～530nm的綠光激光器。紫外光激光器的重要突破是AlN模板（低成本）與AlN襯底（高性能）互補結合，實現(xiàn)高質量、高Al組分AlGaN材料的外延制備技術，實現(xiàn)發(fā)光波長280～300nm，室溫光泵浦發(fā)光的紫外激光器。

光伏電池

        第3代半導體在新能源領域同樣具有重要應用前景。GaN材料體系中的InGaN（銦鎵氮）太陽能電池的光學帶隙可連續(xù)調節(jié)，特別適合于制作多結疊層太陽能光伏電池，實現(xiàn)全太陽可見光譜能量的吸收利用，提高光伏電池的轉換效率。其理論轉換效率可達70%，遠遠超過其他材料體系。同時，InGaN的抗輻射能力遠強于目前常用的Si、GaAs等太陽能電池材料，更適合應用于存在強輻射的外太空環(huán)境中，如為外太空航天器提供動力的太陽帆，因此InGaN太陽能電池在航空航天等領域也有廣泛應用。

       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(xiàn)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(xiàn)，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。