电子信息材料

半导体材料的发展现状及未来展望
智能1601 41623405 吕懿
前言：
半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm 范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。

半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

1、 第3代半导体材料及应用
半导体材料的发展可以划分为三个时代。

第1代半导体材料以硅(Si)和锗(Ge)等元素半导体材料为代表，奠定了微电子产业基础。

其典型应用是集成电路(Integrated
Circuit,IC)，主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器，在未来一段时间，硅材料的主导地位仍将存在。

但硅材料的物理性质限制了其在高压和高频电子器件上的应用。

第2代半导体材料以GaAs和磷化锢(InP)为代表，奠定了信息产业基础。

GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍，具有直接带隙，故其器件相对Si器件具有高频、高速的性能，被公认为是很合适的通信用半导体材料。

同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。

然而，由于禁带宽度范围不够大、击穿电场较低，限制了其在高
温、高频和高功率器件领域的应用。

另外，GaAs材料具有毒性，对环境和人类健康存在威胁。

第3代半导体材料是指带隙宽度明显大于Si(1.1eV)和GaAs(1.4eV)的宽禁带半导体材料(2.0-6.0eV)，包括III族氮化物〔如氮化稼
(GaN)、氮化铝(A1N)等〕，碳化硅(SiC)，宽禁带氧化物〔(如氧化锌(ZnO)、氧化稼(Ga2O3)、钙钦矿(CaTiO3)等)〕及金刚石薄膜等宽禁带半导体材料。

与第1代、第2代半导体材料相比，第3代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，第3代半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下更为可靠，此外还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

第3代半导体材料主要有3大应用领域:电力电子、微波射频和光电子。

产业链主要包括材料、器件和应用环节，具体如图1所示。

它具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，是固态光源、下一代射频和电力电子器件的“核心”，在半导体照明、消费类电子、5G移动通信、新能源汽
车、智能电网、轨道交通等领域有广阔的应用前景，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第1代、第2代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点发挥重要作用，正在成为全球半导体产业新的战略高地。

我国在半导体照明方面已经形成完整的产业链和一定的产业规模，成为全球发展最快的区域，为第3代半导体在其他领域的应用奠定了良好的基础。

但我国在电力电子、通讯等领域的研发和产业化与国外差距较大，需要加大研发投人，建立体制机制创新的研发创新和科技服务平台，构建立足地方、带动全国、引领世界的跨学科、跨行业、跨区域的第3代半导体创新价值链，重塑全球半导体产业发展格局。

图1 第3代半导体产业链结构
2、 半导体材料的发展现状
国际上第3代半导体材料已经取得了原理性的科学突破，即将进人颠覆性技术创新和应用的阶段。

第3代半导体材料科学的基础性研究和产业化技术已经在美国、日本、欧盟3大区域初步发展成熟。

第3代半导体科技的发展，不仅表现在衬底及外延材料尺寸不断由小直径向大直径发展，也体现在材料质量与器件性能的不断飞跃。

与此同时成本和价格不断下降，推动了相关产业的升级发展。

我国开展第3代半导体的研究工作虽然起步比发达国家稍晚，但在国家科技计划项目多年连续支持下，在技术和人才方面形成了良好的积累和基础，并在国防、电动汽车等领域已开始相关器件的应用。

依托我国巨大的潜在应用市场，通过需求牵引，有望带领我国第3代半导体在
新时期实现“弯道超车”，抢占第3代半导体战略制高点。

在微波射频领域，GaN器件在民用市场和军用市场都已经实现规模化应用。

在民用市场，GaN射频器件在5G通信领域需求显著。

5G 通信的数据流量需求将是现有技术流量的1000倍以上，届时对GaN 射频器件的使用量将为现有GaAs器件的100倍以上。

日本松下公司已推出业界最小的增强型600V一GaN功率晶体管。

在军用市场，GaN 射频器件需求快速增长，仅战斗机雷达对GaN射频功率模块的需求就将达到7 500万只。

目前，美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达(AMDR)已采用GaN射频功放器件替代GaAs器件。

据Yole 预测，2020年末，GaN射频器件市场规模将扩大至目前的2倍，达到7.5亿美元，年均复合增长率20% 。

我国4G和5G网络建设对GaN射频器件需求同样巨大。

CSA Research预测，到2020年，我国GaN射频器件产业的将达到104亿元，较现有市场规模翻2番(详见图2)。

仅在移动通讯基站应用领域，我国的GaN射频器件的市场规模约为30亿元，将带动射频功率模块产值超60亿元，进而带动4G及5G移动通信基站终端设备市场规模达约800亿元。

图2 2020年我国第3代半导体微波射频市场规模预测在光电子领域，从全球范围看，目前基于第3代半导体技术的半导体照明替代传统光源已出现井喷式增长，美国、欧洲等国家在光品质及智能化等方面正加速发展。

半导体照明已经在景观照明、液晶背光、大型显示屏等领域得到广泛应用，在汽车照明、大尺寸液晶背光领域的应用也进人规模化阶段。

半导体照明在通用照明领域的应用已经全面启动，正成为其最大的应用市场。

我国第3代半导体材料成功产业化的第一个突破口便是半导体照明产业。

我国半导体照明产业发展迅速，已经形成了完整的产业链，产业规模持续增长(详见图3)，芯片从无到有，创新应用走在世界前列，成为全球发展最快的区域，为实现我国第3代半导体材料及应用的发展奠定了良好的基础。

总体来说，我国半导体照明技术与应用接近国际先进水平，自主知识产权的Si衬底LED、可见光定位等创新应用处于国际领先水平；在第3代半导体电子器件应用方面，日、美、欧在地铁机
车、新能源汽车、白色家电、光伏逆变器等领域实现了应用，而我国只在光伏逆变器等领域实现了应用。

图3 2015年我国半导体照明产业各环节产业规模及增长率
3、 未来展望
面向全球性节能减排需求，发展基于第3代半导体材料的高效电能转换技术刻不容缓。

国际上照明耗能约占总电功率的20%，目前我国大陆地区占总电功率的12%-13%，预计到2020年将占19%。

LED照明能效有望提高50%-70%，节能效果极其可观。

另外80%以上的用电能耗在白色家电、电子信息设备、可再生能源并网、工业电机驱动、轨道交通等众多领域中，节能潜力巨大。

第3代半导体的应用将掀起绿色能源消费的巨大变革。

移动互联、大数据的信息化社会对第3代半导体材料提出了迫切需求。

“互联网+”作为一种新的经济形态，将与社会经济各领域深度融合，并将成为提升实体经济创新力和生产力的技术基础，而基于互联网的移动通讯产业、大数据产业必将迅猛发展，支撑大量移动终端、海量数据传输、数据中心运行的材料需求非常迫切。

第3代半导体材料由于工作频率高、功率大、稳定性强，能够制造高效节能，小型化、轻量化、低成本的器件，将成为发展新一代移动通讯的重要选择。

空天、国防技术和现代大型牵引电力等设备的重大需求。

航空、航天和国防应用都有严格的体积、质量和尺寸限制。

GaN材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，正在并将更广泛应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备等空天和国防领域。

结语：
宽禁带半导体材料作为一类新型材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用
前景。

它能够提高功率器件工作温度极限，使其在更恶劣的环境下工作；能够提高器件的功率和效率，提高装备性能；能够拓宽发光光谱，实现全彩显示。

随着宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，其重要性将逐渐显现，在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。

参考文献：
1、 半导体材料-维基百科
2、 王龙兴.中国半导体材料业的状况分析.上海市集成电路行业协
会，2012
3、 郝建群等.第3代半导体发展概述及我国的机遇、挑战与对策.北京
半导体照明科技促进中心/中关村半导体照明联合创新重点实验
室，2016
4、 凌玲.半导体材料的发展现状.北京新材料发展中心，2003
5、 王兴艳.第三代半导体材料发展现状及建议.工业和信息化部原材
料工业研究所，2015
6、 杨静、杨洪星.几种典型宽禁带半导体材料的制备及发展现状.中
国电子科技集团公司第四十六研究所，2016。