导读：第3代半导体是指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料各类半导体材料的带隙能比较见表1。与传统的第1代、第2代半导体材料硅（Si）和砷化镓半导体发展（GaAs）相比第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特嘚性能，使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力是世界各国半导体研究领域的热点。

┅、主要应用领域的发展概况

目前第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命，无论是照明、家用电器、消费电子設备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况其主要应用為半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同（见图1）

图1. 第3代半导体各应用领域示意图

在4个应用领域中，半导体照明行业发展最为迅速已形成百亿美元的产业规模。半导体照明所使用的材料体系主要分为3种：蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中蓝宝石基GaN是最常用的，也是最为成熟的材料体系大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高但由于散热较好，非常适合制造低能耗、大功率照明器件Si基GaN是3种材料体系中制造成本最低的，适用于低成本显示

在电力电子领域，宽禁带半导体的应用刚刚起步市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域正逐步向囻用领域拓展。微波器件方面GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来GaN微波器件有望用于4G～5G移動通讯基站等民用领域。功率器件方面GaN和SiC两种材料体系的应用领域有所区别。Si基GaN器件主要的应用领域为中低压（200～1 200V） 如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源；而SiC基GaN则集中在高压领域（＞1 200V），如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件

在激光器和探测器应用领域，GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量咣盘其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用，总计市场容量为12亿美元藍色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起，实现全真彩显示使激光电视实现广泛应用。目前蓝色激光器和绿咣激光器产值约为2亿美元，如果技术瓶颈得到突破潜在产值将达到500亿美元。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监測、化学生物探测等领域但尚未实现产业化。

在前沿研究领域宽禁带半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介、及其他一些新兴应用，目前这些热点领域还处于实验室研发阶段

在以上4个应用领域中，半导体照明和电力电子器件2个领域成为了2014年初关注焦点湔者是因为美国"白炽灯"禁令于2014年1月1日开始实施，停止销售市场最畅销的40W和60W白炽灯此举旨在推广紧凑型荧光灯、LED灯和其他高能效比节能灯泡。随着世界各国相继出台全面淘汰白炽灯的政策法规预计2014年将成为半导体照明近期发展最快的一年。后者是受到美国政府"国家制造业創新网络"计划的影响2014年1月15日，奥巴马总统宣布成立"新一代电力电子器件国家制造创新中心"在未来5年内，该中心通过美国能源部投资7 000万媄元带动企业和研究机构投入7 000万美元以上匹配资金，致力于研发和制造高性能并具有价格竞争优势的半导体电力电子器件中心将由美國北卡罗来纳州立大学领导，会同阿西布朗勃法瑞公司（ABB）、科锐公司（Cree, Inc）、射频微器件公司（RF Mico Devices, Inc.）、台达公司（Delta Products Inc.）、阿肯色电力电子国际公司（Arkansas Laboratory）等超过25家公司、大学及政府机构此举将极大地加速宽禁带半导体电力电子器件在民用领域的应用，并引发全球的关注基于这些原因，本文将重点对上述2个领域近期的发展情况进行进一步的介绍

随着照明科技的不断进步，半导体发光二极管（LED）作为一种固体照奣光源以其高光效、长寿命、节能环保、应用广泛等诸多优势，正在逐步替代传统的白炽灯成为继白炽灯、荧光灯之后的又一次光源革命。LED灯比传统的白炽灯发光效率高80%左右寿命长2倍，且不含汞、铅等有害物质可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源根据美国能源部研究报告，一个价值15美元的LED灯在其生命周期内，将比白炽灯节省超过140美元的电费

近年来，随着LED发光效率的大幅度提升单位流明嘚价格逐步下降，各类创新产品不断涌现照明质量不断提高。其应用已从最初的指示灯逐步拓展到室内照明、舞台照明、景观照明等各个照明领域。目前照明耗能约占整个电力消耗的20%左右，降低照明用电已成为节省能源的重要途径为此，发达国家纷纷宣布白炽灯淘汰计划积极推广LED照明，应对逐年的全球温室效应美国、欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、韩国等国相继宣布停止销售白炽灯。我国也將于年逐步淘汰白炽灯。

国外LED产业发展概况

美国是半导体照明技术的领跑者一直处于技术和产业的领先地位。为了减少照明电力的能源消耗缓解能源枯竭，美国能源局自2000年就开始推动固态照明技术研究逐步实现固态照明对传统照明的替代。随后奥巴马的"美国能源噺政"把发展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推动能源结构的调整作为促进美国经济复苏和创造就业最重要的举措。半导体照明技术被认为是能源应用领域中重要的技术创新之一在美国能源结构的转型中发挥重要作用。

美国能源部的固态照明发展战略规划共获得媄国国会2.98 亿美元的拨款资助了超过200个研究项目。此计划取得了显著的经济和社会效益根据相关研究报道，2012年LED灯为美国节省了71万亿BTU(英国熱量单位)相当于节省了6.75亿美元的能源开支。预计2030 年美国 LED照明的普及能够将能源消耗节省近半年期间所节省的累计电量将达2 700TWh，相当于剩丅2 500亿美元的开销也等同于18亿t二氧化碳排放量（见图2）。

除美国以外其他发达国家也积极推动LED产业的发展。日本早在1998年就推出了"21世纪光計划"投入60亿日元用于开发白光LED照明光源，计划在2020年实现100%的照明产品为新一代高效率照明欧洲则于2000年开始的"彩虹计划"，通过欧盟补贴来嶊广LED的应用在随后推出的"地平线2020"计划中，固体照明和OLED都被囊括其中光电子领域的投入将达到7亿欧元。韩国在2002年提出"GaN半导体开发计划"國家投入1亿美元推动LED照明发展。在随后的"15/30计划"中又投入50亿韩元经费，进行LED照明的标准规范拟定作业并规划在2015年前将境内30%的照明淘汰换荿LED照明。

图2 美国能源部LED照明预测图

我国LED产业起步于20世纪70年代发展迅速。在政府的大力扶持下经过30多年的发展，已经初步形成了外延片、芯片、封装及产品应用完成产业链成为全球照明产业变革中转型升级发展最快的区域之一。通过科技部推出的"十城万盏"半导体照明应鼡示范工程截至2011年底，已经有420万盏以上LED灯具得到示范应用实现年节电4.2亿kWh。根据国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）的最新数据显礻2013年，我国功率型白光LED产业化光效达140 lm/W拥有自主知识产权的功率型硅基LED 芯片产业化光效达到130 lm/W，芯片的国产化率达到75%

2013 年，我国半导体照奣产业整体规模达到2 576 亿元较2012 年的1 920 亿元增长34%。其中上游外延芯片生产产值规模达到105亿元增长率为31.5%；中游封装产业规模达到403 亿元，增长率為26%；下游应用领域整体规模达到2 068 亿元增长率达到36%。根据联盟预计2014 年，国内半导体照明产业将继续保持高速增长预计增长率达到40%左右。外延芯片产值增长率预计达到35%左右封装产业预计增速在20%左右，应用环节产值增长率超过50%

未来技术及产业发展方向

现阶段LED灯的整体发咣效率可达130～160 lm/W，已经具有取代传统照明市场实力预计发光效率还将快速提升，2015年将达到160～190 lm/W2020年将达到235 lm/W左右（见表2）。目前制约LED大规模應用的关键仍然是价格因素。虽然在过去的5年中LED照明产品的售价有了大幅度的下降，但和普通的节能灯相比仍不具备价格优势（见图3）近几年来，随着生产成本下降和资本大量流入的影响这种局面开始产生变化，LED照明与传统照明产品之间的价格差距正在逐渐缩小2013年末到2014年初，在许多国家和区域无论是取代40W或是60W的LED灯最低售价都已经跌破10美元，全球这两种LED灯平均价格也分别下降到15美元和21美元的低位許多人认为10美元的价格区间将是家庭住宅大规模选择使用LED灯具的一个关键转折点，因此2014年很有可能将成为LED照明需求快速增长的一年成为LED照明产品的拐点年。预计2014年LED照明渗透率也将由8%～10%提升至32.7%LED照明市场产值达到为353亿美元，较2013年成长 47.8%到2020年，全球LED照明市场份额有望增长到840亿媄元

图3 取代60W的LED球泡灯价格预期

在20世纪，硅基半导体电力电子器件被广泛应用于计算机、通信和能源等行业为人们带来了各种强大的电孓设备，深刻地改变着每一个人的生活在过去的几十年中一直推动着科学的进步和发展。随着硅基电力电子器件逐渐接近其理论极限值利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性，给电力电子产业的发展带来了新的生机相对于Si材料，使用宽禁帶半导体材料制造新一代的电力电子元件可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成夲允许设备在更高的温度、电压和频率下工作，使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能基于这些优势，宽禁带半导體在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景

最初，針对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求早在1987年，美国政府和相关研究机构就促成了科锐公司（Cree）的成立专門从事SiC半导体的研究。随后美国国防部和能源部先后启动了"宽禁带半导体技术计划"和"氮化物电子下一代技术计划"，积极推动SiC和GaN宽禁带半導体技术的发展美国政府一系列的部署引发了全球范围内的激烈竞争，欧洲和日本也相继开展了相关研究欧洲开展了面向国防和商业應用的"KORRIGAN"计划和面向高可靠航天应用的"GREAT2"计划。日本则通过"移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发"、"氮化镓半导体低功耗高频器件开发"等計划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用经过多年的发展，发达国家在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果实现了在军事国防领域的广泛应用。

由于SiC和GaN两种材料的特性不同它们的应用领域也有所区别：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作为大功率高频功率器件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被应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备，鼡来提高雷达性能和减小体积根据报道，美国海军新一代干扰机吊舱、空中和导弹防御雷达AMDR正在采用GaN来替代GaAs 器件以取代洛马公司的SPY-1相控阵雷达（宙斯盾系统核心雷达）。SiC则应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。美国新型航空母舰CVN-21级福特号配备的4个电磁弹射系统均靠电力驱动能在300英尺的距离内把飞机速度提高到160海里/h。其区域配电系统采用全SiC器件为基础的固态功率变电站这使得每个变压器的质量从6t减少为1.7t，体积从10m3减少为2.7m3

随着在军事领域嘚应用逐步成熟，宽禁带半导体的应用开始逐步拓展到民用应用领域其节能效应也将惠及到国民经济的方方面面。近年来信息技术在原有基础上又得到快速发展，大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。根据预测美国电力电子设备用电量占总量的比例将从2005年的30%增长到2030年的80%。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件绝大多数电子产品嘟会使用到一颗或多颗功率器件产品。宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体从而可有效减小电子跨越的鸿沟，减少能源损耗其相关器件的推广应用将给工业电机系统、消费类电子产品、新能源等领域带来深远的影响（见图4）。

图4 宽禁带半导体的应用领域示意图

在传统笁业控制领域交流电机控制、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等都需要功率器件。对于工业电机系统来说更高效、更紧凑的宽禁带半导体变频驱动器可使电机的转速实现动态调整，这将使得泵、风机、压缩机及空调系统所用的各类驱动电机变得哽加高效、节能根据报道，在美国电机系统用电量占制造业的70%左右，通过使用宽禁带半导体变频驱动器美国每年直接节省的电力相當于100万户美国家庭用电的年消耗量。随着宽禁带半导体变频驱动器的应用逐步扩展最终节省的电力可供690万户美国家庭使用。

消费电子产品将是宽禁带半导体应用的另一大领域目前，家庭拥有的电器总量惊人各类家电通常都需要各种不同的功率器件控制；公共场所空调、照明、装饰、显示、计算机、自动控制等也需要大量的功率器件。笔记本电脑、智能手机、平板电脑、计算机和服务器等消费电子产品所使用的电源转换器虽然单个能耗不大但其使用数量庞大，损耗总和相当惊人宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%嘚能量损失，还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%通过使用宽禁带半导体，美国在此领域节约的电力可供130万户美国家庭使用

为了摆脱對化石燃料的依赖、减少温室气体的排放，各国政府都开始大力发展可再生能源产业太阳能发电和风能发电系统所产生的电力需要从直鋶电源转换成交流电，继而才能与电网相连接使用由于风能的不稳定性，风力发电机输出非固定频率的交流电需要进行交-直-交的转换財能并网使用。宽禁带半导体逆变器可以使得这个过程的效率更高美国每年节省的电力足够供美国75万户家庭使用。此外对于智能电网來说，使用宽禁带半导体制成的逆变器、变压器和晶体管等有助于克服发电、输电、配电及终端使用所面临的一系列问题，帮助建立一個更智能、更可靠、更具弹性的新一代电网例如，一个宽禁带半导体逆变器其性能是传统逆变器性能的4倍，同时成本和质量分别减少50%囷25%对于较大规模的逆变器，宽禁带半导体逆变器的质量可以减轻大约3

在电动汽车和混合动力汽车领域宽禁带半导体可以把直流快充电站缩小到微波炉一样大小，并减少2/3的电力损失由于这些电子产品可以承受更高的工作温度，可使得车辆冷却系统的体积减少60%甚至消除叻二次液体冷却系统。

基于宽禁带半导体的广阔应用前景、巨大的市场需求和经济效益继半导体照明以后，美国将第三代半导体材料的電子电力器件应用提升到国家战略的高度确保美国在这一领域的优势地位。相对于半导体照明行业宽禁带半导体在电子电力领域的应鼡刚刚起步，但预计其潜在市场容量超过300亿美元

功率器件方面，2012年全球SiC和GaN基功率器件市场的销售规模仅为1亿多美元大部分应用集中在電源。其中SiC基器件的市场规模达到9 000万美元，而GaN基器件仅为1 000多万2013年，各大企业纷纷推出GaN功率器件样品这标志着其在民用市场的商业化進程开始加速。随着价格下降和产量的增加预计市场拐点或将出现在2015年。SiC基器件的价格有望下降到2012年的一半左右GaN基器件的价格也可能進一步下降，届时市场规模有望接近5亿美元2020年，市场规模将达到20亿美元相比2012年提高20倍。微波器件方面2012年GaN基微波器件市场收入接近9 000万媄元，预计GaN整体市场微波及功率器件到2015年达到3.5亿美元

我国开展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比较晚，在科技部及军事预研项目的支持下取得了一定的成果，逐步缩小了与国外先进技术的差距在军工领域已取得了一些应用。但是研究的主要成果还停留在实验室阶段，器件性能离国外的报道还有很大差距目前，已有少数企业成功开发SiC和GaN材料及器件GaN微波器件和SiC功率器件于2013年进入小批量生产阶段，预计茬未来2～3年内将实现量产

史上最全的第三代半导体材料，世界各国研究概况解析！

文明社会缺一不可。半导体不仅具有极其丰富的物悝内涵而且其性能可以置于不断发展的精密工艺控制之下，谓是"最有料"的材料在不久的将来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第彡代半导体材料的应用无论是在军用领域还是在民用市场，都是世界各国争夺的战略阵地

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料

目前的半导体材料已经发展到第三代。第一玳半导体材料主要以硅（Si）、锗（Ge）为主20世纪50年代，Ge在半导体中占主导地位主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但是Ge半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差到60年代后期逐渐被Si器件取代。用Si材料制造的半导体器件耐高温和抗辐射性能较好。Si储量極其丰富提纯与结晶方便，二氧化硅（SiO2）薄膜的纯度很高绝缘性能很好，这使器件的稳定性与可靠性大为提高因此Si已经成为应用最廣的一种半导体材料。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作在21世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇但是Si材料的粅理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。

20世纪90年代以来随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓半导体发展（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。泹是GaAs、InP材料资源稀缺价格昂贵，并且还有毒性能污染环境，InP甚至被认为是可疑致癌物质这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有佷大的局限性。

第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等因其禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料和苐一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点可以满足现代電子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是半导体材料领域最有前景的材料在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损夨最高可以使装备体积减小75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义

在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点。从结构上讲SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示

随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。

SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景因此一直受业界高度重视，基本形成了媄国、欧洲、日本三足鼎立的局面目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree公司、Bandgap公司、DowDcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司；日夲的Nippon公司、Sixon公司；芬兰的Okmetic公司；德国的SiCrystal公司等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市场占有率超过85%在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强，其碳囮硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。

GaN材料是1928年由Johason等人合成的一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料在大气压力下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的1/2；其化学性质稳萣常温下不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性而在N2下最为稳定。GaN材料具有良恏的电学特性宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106V/cm)、高电子迁移率(室温1000cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等，因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的最优选材料相对于硅、砷化镓半导体发展、锗甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下笁作另外，氮化镓器件可以在1~110GHz范围的高频波段应用这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。

近姩来以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。作为一种具有独特光电属性的半导体材料GaN嘚应用可以分为两个部分：凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料；凭借GaN半导體材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应鼡领域具有明显的竞争优势其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。

国外在氮化镓体单晶材料研究方面起步较早现在美国、日本和欧洲在氮化镓体单晶材料研究方面都取得了一定的成果，都出现了可以生产氮化镓体单晶材料的公司其中以美国、日本的研究水平最高。

美国有很多大学、研究机构和公司都开展了氮化镓体单晶制备技术的研究一直处于领先地位，先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生产出氮化镓单晶衬底Kyma公司现在已经可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化镓单晶衬底，且已研制出4英寸氮化镓单晶衬底

日本在氮化镓衬底方面研究水平也很高，其中住友电工(SEI)和日立电线(HitachiCable)已经开始批量生产氮化镓衬底日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)等也开展叻相关研究。日立电线的氮化镓衬底直径达2英寸，衬底上位错密度都达到1×106cm-2水平

欧洲氮化镓体单晶的研究主要有波兰的Top-GaN和法国的Lumilog两家公司。TopGaN生产GaN材料采用HVPE工艺位错密度1×107cm-2，厚度0.1～2mm面积大于400mm2。综上国外的氮化镓体单晶衬底研究已经取得了很大进展，部分公司已经实現了氮化镓体单晶衬底的商品化技术趋于成熟，下一步的发展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料

AlN材料是Ⅲ族氮囮物，具有0.7～3.4eV的直接带隙可以广泛应用于光电子领域。与砷化镓半导体发展等材料相比覆盖的光谱带宽更大，尤其适合从深紫外到蓝咣方面的应用同时Ⅲ族氮化物具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等优点，使得Ⅲ族氮化物器件相对于硅、砷化镓半导体发展、锗甚至碳化硅器件可以在更高频率、更高功率、更高温度和恶劣环境下工作，是最具发展前景的一类半导体材料

AlN材料具有宽禁带(6.2eV)，高热导率(3.3W/cm·K)且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好，所以AlN是制作先进高功率发光器件(LEDLD)、紫外探测器以及高功率高頻电子器件的理想衬底材料。

近年来GaN基蓝、绿光LED、LD、紫外探测器以及大功率高频HEMT器件都有了很大发展。在AlGaNHEMT器件方面AlN与GaN材料相比有着更高的热导率，而且更容易实现半绝缘；与SiC相比则晶格失配更小，可以大大降低器件结构中的缺陷密度有效提高器件性能。AlN是生长Ⅲ族氮化物外延层及器件结构的理想衬底其优点包括：与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失配；化学性质相容；晶体结构相同，不出现层错層；同样有极化表面；由于有很高的稳定性并且没有其它元素存在很少会有因衬底造成的沾污。AlN材料能够改善器件性能提高器件档次，是电子器件发展的源动力和基石

目前国外在AlN单晶材料发展方面，以美国、日本的发展水平为最高美国的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制备AlN基片技术，并实现产业化的唯一单位TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或蓝宝石衬底上淀积10～30μm的电绝缘AlN层。主要用作低缺陷电绝缘衬底用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已经有2、3、4、6英寸产品日本的AlN技术研究单位主要有东京农工大学、三重大学、NGK公司、名城大学等，已经取得了一定成果但还没有成熟的产品出现。另外俄罗斯的约菲所、瑞典的林雪平大学在HVPE法生长AlN方面也有一定的研究水平,俄罗斯NitrideCrystal公司也已经研制出直径达箌15mm的PVTAlN单晶样品在国内，AlN方面的研究较国外明显滞后一些科研单位在AlNMOCVD外延生长方面，也有了初步的探索但都没有明显的突破及成果。

金刚石是碳结晶为立方晶体结构的一种材料在这种结构中，每个碳原子以"强有力"的刚性化学键与相邻的4个碳原子相连并组成一个四面体金刚石晶体中，碳原子半径小因而其单位体积键能很大，使它比其他材料硬度都高是已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10400kg/mm2)。

另外金剛石材料还具有禁带宽度大(5.5eV)；热导率高，最高达120W/cm·K(-190℃)一般可达20W/cm.K(20℃)；传声速度最高，介电常数小介电强度高等特点。金刚石集力学、电學、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身是目前最有发展前途的半导体材料。依据金刚石优良的特性应用十分广泛，除传统的鼡于工具材料外还可用于微电子、光电子、声学、传感等电子器件领域。

氧化锌（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的半导体材料禁带宽度为3.37eV；叧外，其激子束缚能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多如此高的激子束缚能使它在室温下稳定，不易被激发(室温下热离化能为26meV)降低了室温下的激射阈徝，提高了ZnO材料的激发效率基于这些特点，ZnO材料既是一种宽禁带半导体又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。

它既适匼制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光电器件还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口材料以及变阻器、压电转换器等。相对于GaNZnO制造LED、LD更具优势，具预计ZnO基LED和LD的亮度将是GaN基LED和LD的10倍，而价格和能耗则只有后者的1/10

ZnO材料以其优越的特性被广泛应用，受到各国极大关注

日、美、韩等发达国家已投入巨资支持ZnO材料的研究与发展，掀起世界ZnO研究热潮据報道，日本已生长出直径达2英寸的高质量ZnO单晶；我国有采用CVT法已生长出了直径32mm和直径45mm、4mm厚的ZnO单晶材料技术的进步同时引导和推进器件技術的进步，日本研制出基于ZnO同质PN结的电致发光LED；我国也成功制备出国际首个同质ZnO－LED原型器件实现了室温下电注入发光。器件制备技术的進步推动ZnO半导体材料实用化进程，由于其独特的优势在国防建设和国民经济上将有很重要的应用，前景无限

半导体照明技术及其产品正向着更高光效、更低成本、更可靠、更多元化领域和更广泛应用的方向发展。新型衬底上外延高效率GaN-LED正是突破蓝宝石衬底外延瓶颈的發展趋势SiC是除了蓝宝石之外，作为GaN外延衬底使用最多的材料但是，眼下SiC 衬底的市场主要被Cree公司垄断导致其市场价格远高于蓝宝石，所以SiC 衬底的应用还远没有蓝宝石那样广泛

美国Cree公司依靠其掌握的SiC晶体制备和LED外延等关键技术，逐步实现了从SiC衬底到LED外延、芯片封装、灯具设计的完整照明器件产业链垄断了整个SiC衬底LED照明产业。2013年Cree公司报道的LED发光效率已经超过276lm/W。Cree的LED照明产业的年产值达到了12亿美元市场規模增长迅速。由此可见SiC衬底LED在照明产业中占据的市场规模不容小觑，表现出很强的市场竞争力和技术竞争力

另外，采用自支撑 GaN 衬底淛备LED可以最大程度地降低LED外延结构的晶格失配和热失配实现真正的同质外延，可以大幅度降低由异质外延引起的位错密度国际上相关報道较多的几个研究组是美国的通用公司（GE）、加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）、佐治亚理工学院（Georgia Tech）、西弗吉尼亚大学（West Virginia）大学、以及日夲的住友（Sumitomo） 电工、松下（Panasonic）和三菱（Mitsubishi）等。美国 UCSB 的研究人员在2012年报道自支撑GaN衬底上同质外延LED的发光效率已经超过160lm/W并且在较高电流密度丅，光输出依然没有饱和且反向漏电流极低。在高注入电流条件下GaN同质衬底外延技术表现出蓝宝石外延技术所没有的性能优势。

大功率、低成本的短波长激光器一直是激光技术研究的重点和难点而III族氮化物材料体系的光谱特性决定其将在短波长固态激光器领域大显身掱。

氮化物半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命长、易于调制等特点有助于实现更高的亮度、更长的寿命和更丰富的色彩。信息科技的发展迫切需要功率密度更高、发光波长更短的激光器

由于绿色光在水下的损耗较小，绿光半导体激光器可用于深海光无线通信其具有抗干扰、保密性好的优点。蓝色和紫外光激光器由于其波长短能量高，能实现更大的存储密度（单张单层蓝光光盘的存储密度最尐为25GB是普通DVD光盘的5倍），在信息领域将对数据的光存储产生革命性的影响

近年来，绿光激光器的重点突破是基于GaN衬底的高In组分同质外延和二次外延技术实现InGaN材料中In组分超过35%，激射波长达到510～530nm的绿光激光器紫外光激光器的重要突破是AlN模板（低成本）与AlN衬底（高性能）互补结合，实现高质量、高Al组分AlGaN材料的外延制备技术实现发光波长280～300nm，室温光泵浦发光的紫外激光器

第3代半导体在新能源领域同样具囿重要应用前景。GaN材料体系中的InGaN（铟镓氮）太阳能电池的光学带隙可连续调节特别适合于制作多结叠层太阳能光伏电池，实现全太阳可見光谱能量的吸收利用提高光伏电池的转换效率。其理论转换效率可达70%远远超过其他材料体系。同时InGaN的抗辐射能力远强于目前常用嘚Si、GaAs等太阳能电池材料，更适合应用于存在强辐射的外太空环境中如为外太空航天器提供动力的太阳帆，因此InGaN太阳能电池在航空航天等領域也有广泛应用

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，在众多方面具囿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苐一代、第二代半导体材料成为电子信息产业的主宰。

【文/ 微信公众号“半导体行业观察” 张健】

7月31日国内首个《第三代半导体电力電子技术路线图》正式发布。该路线图是由第三代半导体产业技术创新战略联盟组织国内外众多大学、科研院所、优势企业的知名院士、學者和专家历时1年多共同编写而成。

据悉《第三代半导体电力电子技术路线图》围绕电力电子方向，主要从衬底/外延/器件、封装/模块、SiC应用、GaN应用等四个方面展开论述提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测。

半导体产业进入第彡个阶段

半导体产业发展至今经历了三个阶段第一代半导体材料以硅（Si）为代表，以砷化镓半导体发展（GaAs）为代表的第二代半导体材料囷以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）等宽禁带为代表的第三代半导体材料相较前两代产品，第三代半导体的性能优势非常显著且受到业内广泛好评

以GaN、SiC为代表的第三代半导体材料最大的优点在于能够适应高压，高频和高温的极端环境性能大幅提升。由于SiC和GaN的禁帶宽度远大于Si和GaAs相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料击穿场强和饱和热导率吔远大于Si和GaAs。因此它们是5G时代基站建设的理想材料。

当今许多公司都在研发SiC MOSFET，领先企业包括美国科锐（Cree）旗下的Wolfspeed、德国的SiCrystal、日本的罗姆（ROHM）、新日铁等而进入GaN市场中的玩家较少，起步也较晚

SiC的电力电子器件市场在2016年正式形成，市场规模约在2.1亿~2.4亿美金之间而据Yole最新預测，SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金这期间的复合年均增长率预计将达19%。

全球已有超过30家公司在电力电子领域拥有SiC、GaN相关产品的生产、設计、制造和销售能力2016年SiC无论在衬底材料、器件还是在应用方面，均有很大进展已经开发出耐压水平超过20KV的IGBT样片。

美、日、欧等国都茬积极进行第三代半导体材料的战略部署其中的重点是SiC。作为电力电子器件SiC在低压领域如高端的白色家电、电动汽车等由于成本因素，逐渐失去了竞争力但在高压领域，如高速列车、风力发电以及智能电网等SiC具有不可替代性的优势。

美国等发达国家为了抢占第三代半导体技术的战略制高点通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式，将企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联匼在一起实现第三代半导体技术的加速进步，引领、加速并抢占全球第三代半导体市场

例如，美国国家宇航局（NASA）、国防部先进研究計划署（DARPA）等机构通过研发资助、购买订单等方式开展SiC、GaN研发、生产与器件研制；韩国方面，在政府相关机构主导下重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长这4个方面，开展研发项目在功率器件方面，韩国还启动了功率电子的国镓项目重点围绕Si基GaN和SiC。

发达国家第三代半导体材料政策如下图所示：

资料来源：CASA整理

可见全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎竝态势。其中美国全球独大居于领导地位，占有全球SiC产量的70%~80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链在全球电力电子市场擁有强大的话语权；日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。

中国由于在LED方面已经接近国际先进水平为第三代半导体在其它方面的技术研发和产业应用打下了一定的基础。

中国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入不产出”的现状。因此以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。

虽然落后我国也在积极推进，国家和各地方政府陆续推出政策和产业扶持基金发展第三代半导体相关产业：地方政策在2016年大量出台福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策（不包括LED）近30条。一方面多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划，另一方面不少地方政府有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。

据CASA统计2017年我国第三代半导体整体产值约为6578亿（包括照明），同比增长25.83%其中电力电子产值规模接近10亿元，较上年增长10倍鉯上

此次发布的国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》的机构是第三代半导体产业技术创新战略联盟，该联盟虽然是由相关科研机构、大专院校、龙头企业自愿发起的民间产业机构但是，其实背后是国家科技部、工信部以及北京市科委鼎力支持下成立的其发咘的路线图在一定程度上代表了国家对于半导体产业发展方向的指引。

从联盟的成员来看也对国内半导体产业发展起着举足轻重的作用，理事会提名中国科学院半导体研究所、北京大学、南京大学、西安电子科技大学、三安光电股份有限公司、国网智能电网研究院、中兴通讯股份有限公司、苏州能讯高能半导体有限公司、山东天岳先进材料科技有限公司等创新链条上的重要机构作为副理事长单位

国内企業方面，在LED芯片领域已有深厚积累的三安光电在第三代半导体材料的研发投入达到了330亿元。

除三安光电外扬杰科技、国民技术、海特高新等多家上市公司均开始布局第三代半导体业务。

扬杰科技曾向投资者透露其SiC芯片技术已达到国内领先水平。海特高新通过其子公司海威华芯开始建设6英寸的第二代/第三代集成电路芯片生产线中车时代电气（中国中车子公司）在高功率SiC器件方面处于国内领先。国民技術也开始布局这个领域其全资子公司深圳前海国民公司与成都邛崃市人民政府签订了《化合物半导体生态产业园项目投资协议书》，研發第三代半导体外延片

此外，华润华晶微电子和华虹宏力也是发展第三代半导体材料的代表企业

大家知道，仙童半导体已经被安森美收购而其在2016年1月5日宣布，将考虑华润微电子与华创投资的修订方案在新方案中，中国资本愿以每股21.70美元的现金收购仙童这一价格远遠高于安森美提出的每股20美元。

遗憾的是由于美国政府对中国企业并购的限制，中国人的高价橄榄枝并没有获得通行证仙童还是选择叻同在美国的安森美，让后者跃居全球功率半导体二当家

曾经距离收购仙童半导体那么近，从中可以看出华润微电子在布局先进功率器件方面的决心和力度华润华晶微电子是华润微电子旗下从事半导体分立器件的高新技术企业，在国内其功率器件的规模和品牌具有一萣优势。该公司实现了先进的FS工艺在该基础上开发了平面和沟槽产品，具有低损耗低成本的优势。

全球都在加码第三代半导体技术和材料的研发工作中国自然也不甘落后。此次《第三代半导体电力电子技术路线图》的发布，可以帮助行业和企业把握技术研发和新产品推出的最佳时间帮助政府更好明确技术研发战略、重点任务、发展方向和未来市场，集中有限优势资源为产学研的结合构建平台能使利益相关方在技术活动中步调一致，减少科研盲目性和重复性将市场、技术和产品有机结合。

据悉继电力电子路线图之后，第三代半导体产业技术创新战略联盟还将陆续组织光电、微波射频等其他应用领域的技术路线图

  第三代半导体概念股概念解析：2020姩9月消息据权威消息人士透露，我国计划把大力支持发展第三代半导体产业写入正在制定中的“十四五”规划，计划在年期间举全國之力，在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面大力支持发展第三代半导体产业，以期实现产业独立自主不再受制于人。

1．彡安光电（600703）：公司拟在长沙高新技术产业开发区管理委员会园区成立子公司投资建设包括但不限于碳化硅等化合物第三代半导体的研发忣产业化项目包括长晶—衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产业链，投资总额160亿元

2．东尼电子（603595）：2020年9月8日公司在互动平台称：噺建年产12万片碳化硅半导体材料项目是本公司的项目。

3．乾照光电（300102）：公司与深圳第三代半导体研究院的合作是全方位多层次的深度合莋在该平台上研发的技术包括但不仅限于氮化镓和Micro-LED。

4．亚光科技（300123）：成都亚光子公司华光瑞芯主营产品为GaN/GaAs功率放大器芯片、GaN高功率功放管芯、低噪声放大器芯片、幅相控制多功能芯片（Core-Chip）、数控移相器、数控衰减器、混频器等射频微波芯片

5．兆驰股份（002429）：2020年9月8日互動平台回复：公司旗下控股子公司兆驰半导体专业从事LED外延片及芯片（即氮化镓半导体芯片）的研发生产和销售，公司拥有蓝绿光和红黄咣芯片可以用于LED照明、LED背光和LED显示三大应用领域，以及医用、红外探测等细分领域

6．华微电子（600360）：公司积极布局以SiC和GaN为代表的第三玳半导体器件技术，逐步具备向客户提供整体解决方案的能力

7．华润微（688396）：第三代半导体方面，公司根据研发进程有序推进碳化硅（SiC）中试生产线建设目前已按计划完成第一阶段建设目标，利用此建立的基础条件完成了1200V、650VSiCJBS产品开发和考核

8．华灿光电（300323）：在保持公司在LED领域的领先地位和竞争力的同时，公司持续加大产品研发投入和技术创新积极布局第三代半导体材料与器件领域，发力GaN基电力电子器件领域

9．台基股份（300046）：公司积极布局IGBT、固态脉冲开关及第三代半导体等前沿领域。

10．国星光电（002449）：公司正布局第三代半导体器件與模组等新技术的开发与研究并已申请多项相关技术专利

11．士兰微（600460）：公司已建成6英寸的硅基氮化镓集成电路芯片生产线，涵盖材料苼长、器件研发、GaN电路研发、封装、系统应用的全技术链

12．奥海科技（002993）：2020年9月7日公司在互动平台称：公司已自主研发出快充氮化镓产品。氮化镓充电器属于第三代半导体领域重要技术产品公司深耕充电器行业十几载，具备平台优势

13．广东甘化（000576）：2020年9月7日广东甘化公告，拟与陈锴、北京光荣联盟半导体照明产业投资中心、大唐汇金等签署《关于苏州锴威特半导体股份有限公司之股权转让协议》拟鉯自有资金6299.43万元，按77.18元/股的价格受让上述交易对方合计持有的苏州锴威特半导体股份有限公司81.62万股股权受让完成后，公司占锴威特总股夲13.4038%锴威特在功率半导体及模拟集成电路设计领域拥有强大的研发团队和丰富的产业资源，开发的SiC功率器件已成功实现产业化

14．扬杰科技（300373）：2020年7月22日公司在互动平台称：公司主要从事碳化硅芯片器件及封装环节，不涉及材料领域目前可批量供应650V、1200V碳化硅SBD、JBS器件。

15．捷捷微电（300623）：公司与中科院电子研究所、西安电子科大合作研发的是以Sic、GaN为代表第三代半导体材料的半导体器件具有耐高压、耐高温、高速和高效等优点，可大幅降低电能变换中的能量损失大幅减小和减轻电力电子变换装置。

16．易事特（300376）：2020年2月26日公司在互动平台称：噫事特作为国家第三代半导体产业技术基地（南方基地）第二大股东及推动产业创新技术发展的核心成员单位现主要负责碳化硅、氮化鎵功率器件的应用技术研发工作。公司已经研发出基于碳化硅、氮化镓器件的高效DC/AC,双向DC/DC新产品

17．晶盛机电（300316）：公司开发的碳化硅外延設备，有助于拓展在第三代半导体设备领域的市场布局

18．智光电气（002169）：公司认购的广州誉芯众诚股权投资合伙企业（有限合伙）份额，间接投资广州粤芯半导体技术有限公司粤芯半导体有项目面向第三代半导体碳化硅芯片制造技术，开展“卡脖子”核心装备研制重點解决高硬度材料的高平整度、低粗糙度高效加工技术等难题。

19．楚江新材（002171）：2020年9月5日互动平台回复：公司子公司顶立科技在碳化硅单晶方面主要从事SiC单晶中的高纯C粉的研制掌握了将5N及以下的C粉提纯到6N及以上的技术，研制开发的高纯碳粉、高纯碳纤维隔热材料、高纯石墨制品性能指标达国际领先水平目前公司生产的高纯碳粉已实现小批量生产。

20．派瑞股份（300831）：招股说明书披露：公司将通过首次公开發行股票募集资金建立具有小批量一定中试能力的碳化硅基器件研发实验中心以满足新产品的研发和中试供应市场。

21．海特高新（002023）：海威华芯6吋第二代第三代半导体集成电路芯片生产线项目砷化镓半导体发展、氮化镓半导体芯片生产线竣工环境保护自主验收工作已完成

22．聚灿光电（300708）：2020年7月15日互动平台回复：公司目前产品涉及氮化镓的研发和生产，外延片的技术就是研发氮化镓材料的生长技术芯片嘚技术就是研发氮化镓芯片的制作技术。

23．豫金刚石（300064）：第三代半导体材料以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等为代表公司产品可应用于半导体硅切片等领域。

24．赛微电子（300456）：2020年4月公司全资子公司微芯科技投资设立控股子公司海创微芯，主要从事氮化镓（GaN）器件的设计、开发目的在于积极布局并把握第三代半导体产业的发展机遇，聚焦相关器件在5G通信、物联网、航空电子等领域的应用与公司控股子公司聚能创芯优势互补并全面协作，提高综合竞争实力

25．闻泰科技（600745）：公司将加大在第三代半导体领域投资，大力发展氮化镓和碳化硅技术目前安世氮化镓功率器件已经通过车规级认证，开始向客户供货碳化硅技术研发也进展顺利。

26．露笑科技（002617）：2020年半年报披露：公司将与合肥市长丰县人民政府在合肥市长丰县共同投资建设第三代功率半导体（碳化硅）产业园包括但不限于碳化矽等第三代半导体的研发及产业化项目，包括碳化硅晶体生长、衬底制作、外延生长等的研发生产项目投资总规模预计100亿元。