第一代半導體材料是元素半導體的天下，而第二、三代半導體材料便成化合物的天下，這其中經歷了什么故事？而我國憋足大招準備在第三半導體材料方面彎道超車是否現實？

　　今天就來講講半導體材料的故事，從第一、二代走過，第三代半導體材料將講述怎樣的未來。

　　第一代半導體材料

　　20世紀50年代，鍺（Ge）站在光鮮的舞臺上，應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但鍺半導體器件在耐高溫與抗輻射方面卻存在大大的短板，所以在60年代便把主導地位讓給了硅。含量豐富、絕緣性好、提純結晶簡單，硅是至今應用最多的一種半導體材料主要應用于數據運算等領域。

　　第二代半導體材料

　　隨著科技需求的日益增加，硅傳輸速度慢、功能單一的不足便暴露了出來，于是化合物半導體材料應運而生。20世紀90年代，搭上移動通信、光纖通信的順風車，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導體材料逐漸登上舞臺，其中以砷化鎵技術最為成熟。適用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料，主要應用于通信領域，比如衛星通訊、移動通訊、光通信、GPS導航等。

　　第三代半導體材料

　　然而隨著半導體器件應用領域的不斷擴大，特別是特殊場合要求半導體能夠在高溫、強輻射、大功率等環境下依然堅挺，第一、二代半導體材料便無能為力，于是第三代半導體材料——寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2ev）成為被關注的重點，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAS）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN），較為成熟的是碳化硅和氮化鎵被稱為第三代半導體材料的雙雄，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁的研究尚屬起步階段。

　　第三代半導體材料的崛起還有另外一個契機，半導體材料在生產中的主要污染物有GaAs、Ga3+、In3+等，而隨著環保綠色概念的推廣，人們試圖找尋一種既能滿足產品需求，又能不污染環境的新型半導體材料，于是目光投向了有機半導體（在半導體材料中滲入有機材料如C和N），GaN、SiC成為新星。

　　如今，以第三代半導體材料為基礎的新興技術正迅速崛起，搶占第三代半導體材料技術的高地也愈發激烈。第三代半導體材料為何如此耀眼，又將掀起一場怎樣的技術革命呢？

　　材料特性

　　第三代半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強的等優點。第三代半導體材料還具有發光效率高、頻率高等特點，從而在一些藍、綠、紫光的發光二極管、半導體激光器等方面有著廣泛的應用，且在躍遷時放出光子的能量高，因此會有較高的光發射效率，光子發射的頻率也較高。

　　下圖為第一、二、三代主要半導體材料的基本性能對比。

　　SiC是一種天然超晶格，又是一種典型的同志多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會導致不同的晶體結構，因此SiC有著超過200種（目前已知）同質多型族，最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。

　　4H-SiC與6H-SiC的帶隙是Si的3倍、是GaAs的兩倍；擊穿電場強度高于Si一個數量級；飽和電子漂移速度是Si的2.5倍。

　　GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點(約為1700℃)材料，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構，原子體積大約為GaAs的一半。GaN受青睞的主要原因是它是寬禁帶與硅或者其他三五價器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高。與硅器件相比，GaN在電源轉換效率和功率密度上實現了性能的飛躍。

　　AlN具有寬禁帶(6.2eV)，高熱導率(3.3W/cm？K)，且與AlGaN層晶格匹配、熱膨脹系數匹配都更好，所以AlN是制作先進高功率發光器件(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。

　　金剛石是已知材料中硬度最高的，禁帶寬度大(5.5eV)，集力學、電學、熱學、聲學、光學、耐蝕等優異性能于一身，是目前最有發展前途的半導體材料。

應用領域

　　第3代半導體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術的革命，無論是照明、家用電器、消費電子設備、新能源汽車、智能電網、還是軍工用品，都對第三代半導體材料有著巨大需求。主要應用在半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器以及其他領域。

　　SiC

　　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，實現全彩顯示。隨著SiC生產成本的降低，SiC半導體正逐步取代Si，為Si遇到的瓶頸所擔憂的日子也將結束。

　　1.SiC材料應用在高鐵領域，可節能20%以上，并減小電力系統體積；

　　2.SiC材料應用在新能源汽車領域，可降低能耗20%；

　　3.SiC材料應用在家電領域，可節能50%；

　　4.SiC材料應用在風力發電領域，可提高效率20%；

　　5.SiC材料應用在太陽能領域，可降低光電轉換損失25%以上；

　　6.SiC材料應用在工業電機領域，可節能30%-50%；

　　7.SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網領域，可使電力損失降低60%，同時供電效率提高40%以上；

　　8.SiC材料應用在大數據領域，可幫助數據中心能耗大幅降低；

　　9.SiC材料應用在通信領域，可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩定性；

　　10.SiC材料可使航空航天領域，可使設備的損耗減小30%-50%，工作頻率提高3倍，電感電容體積縮小3倍，散熱器重量大幅降低。

　　GaN

　　以GaN等為代表的第三代半導體材料，被廣泛應用于功率因數校正(PFC)、軟開關DC-DC等電源系統設計、電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務器及通信電源等終端領域，在高亮度LED以及無線基站等應用領域具有明顯的競爭優勢。

競爭格局

　　SiC

　　SiC基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面，可實現碳化硅單晶拋光片的公司主要為美國的Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬蘭的Okmetic，德國的SiCrystal。

　　Cree與SiCrystal公司占據超過85%的市場份額。美國Cree被認為是此領域的老大，其碳化硅單晶材料的技術水平代表著國際先進水平，專家預測在未來的幾年里Cree還將在碳化硅襯底市場上獨占鰲頭。

　　GaN

　　國外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，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，其中以美國、日本的研究水平最高。部分公司已經實現了氮化鎵體單晶襯底的商品化，技術趨于成熟，下一步的發展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料。

　　美國一直處于領先地位，先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生產出氮化鎵單晶襯底。

　　日本住友電工(SEI)和日立電線(HitachiCable)已經開始批量生產氮化鎵襯底，日亞(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、東芝(Toshiba)等正開展了相關研究。

　　歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN與法國的Lumilog。

　　AlN

　　AlN單晶材料發，美國、日本的發展水平最高。美國的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制備AlN基片技術，并實現產業化的唯一單位。日本的在AlN方面的研究單位主要包括東京農工大學、三重大學、NGK公司、名城大學，已經有研究成果但還未形成成熟的產品。俄羅斯的約菲所、瑞典的林雪平大學在此AlN方面也有一定的研究水平，俄羅斯NitrideCrystal公司也已經研制出直徑達到15mm的PVTAlN單晶樣品。

　　ZnO

　　在ZnO材料上日、美、韓等發達國家已投入巨資進行研發，日本已生長出直徑達2英寸的高質量ZnO單晶。我國在此方面也有所建樹有，采用CVT法已生長出了直徑32mm和直徑45mm、4mm厚的ZnO單晶。

　　第三代半導體材料的大好前程

　　現在已經發展到第三代半導體材料，但是第一代與第二代半導體材料仍在廣泛使用。為什么第二代的出現沒有取代第一代呢？第三代半導體是否可以全面取代傳統的半導體材料呢？

　　Si和化合物半導體是兩種互補的材料，化合物的某些性能優點彌補了Si晶體的缺點，而Si晶體的生產工藝又明顯的有不可取代的優勢，且兩者在應用領域都有一定的局限性，因此在半導體的應用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優點，從而生產出符合更高要求的產品，如高可靠、高速度的國防軍事產品。因此第一、二代是一種長期共同的狀態。

　　但是第三代寬禁帶半導體材料，可以被廣泛應用在各個領域，消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛星等，且具備眾多的優良性能可突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術的發展有望全面取代第一、二代半導體材料。

　　我國在第三半導體材料上的起步比較晚，且相對國外的技術水平較低。這是一次彎道超車的機會，但是我國需要面對的困難和挑戰還是很多的。