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1、第3代半导体材料发展及建议工业和信息化部原材料工业研究所王兴艳第3 代半导体材料即宽禁带半导体材料，又称高温半导体材料，主要包括碳 化硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌、金刚石等。这类材料具有宽的禁带宽度（禁带 宽度大于2.2ev）、高的热导率、高的击穿电场、高的抗辐射能力、高的电子饱 和速率等特点，适用于高温、高频、抗辐射及大功率器件的制作。第3 代半导体 材料凭借着其优异的特性，未来应用前景十分广阔。一、大力发展第 3代半导体的必要性和紧迫性1、积极发展第3代半导体材料利国利民。第3代半导体材料可用于制作新 一代电力电子器件，应用于国民经济及国家安全保障的各个领域。一方面，从社 会发展的角度，当今
2、社会发展对于电子器件提出更高的要求，如抗辐射、高功率、 高能效等，第3代半导体材料的应用可以有效满足社会发展对电力电子器件的新 要求；另一方面，从国家安全角度来看，第3代半导体材料可应用于军用飞机、 陆地坦克以及高性能雷达系统等军事装备。2、大力发展第3代半导体材料是有效实现我国节能降耗的有效途径。第3代半导体材料制成电子器件应用于各个领域，可有效提升效率，降低损耗。表1 SiC材料应用领域及应用效果序号应用领域应用效果1新能源汽车降低能耗20%2高铁节能20%以上，同时减小电力系统体积3家电节能50%4工业电机节能 30%-50%5航空航天减小设备损耗30%-50%，提高3倍工作频率，缩小电
3、 感电容体积2/3，大幅降低散热器重量6通信显著提高信号的传输效率、传输安全性和稳定性7超咼压直流输送电和智能电网降低60%的电力损失，同时提高40%以上的供电效率8太阳能降低25%以上的光电转换损失9风力发电提高20%的效率10大数据大幅降低数据中心能耗（当前每万台数据中心每小时 耗电量约为10万千瓦）资料来源：赛迪智库原材料工业研究所编辑整理3、第3代半导体材料是各国竞相发展的战略性新兴产业。第3代半导体材 料因其优异的性能和广泛的应用，已受到世界各国的重视，美国、日本、欧盟等 国家和地区均将其置于重要的战略位置，对其投入巨资进行支持。如2013年日 本政府将Sic纳入“首相战略”，认为未
4、来50%的节能要通过它来实现；2014 年1月，美国总统奥巴马宣布设立国家下一代电力电子制造业创新研究所，五年 内将至少投入1.4亿美元，对宽带隙半导体技术进行研究，从而使电力电子器件 更加快速、高效和小巧。二、第 3代半导体材料发展现状及趋势从目前第3代半导体材料和器件的研究来看，SiC和GaN较为成熟，而ZnO、 AlN和金刚石等第3代半导体材料的研究还处于起步阶段。下面将重点介绍SiC 和GaN的发展情况。1、SiC 的发展现状及趋势（1）发展现状与传统Si材料相比，SiC材料各项性能如表2。依据不同的性能，制成的SiC 器件广泛应用于各种不同领域。如凭借其良好的导热性,制成 SiC 器
5、件可以被用 在高温工作环境中，如石油和地热钻井勘探、汽车发动机、航空、航天探测、核 能开发、卫星等应用领域；凭借其宽禁带和高化学稳定性，SiC器件可以被用在 抗辐射领域；凭借其高击穿场强，制成高功率SiC器件应用在雷达、通信和广播电视领域；凭借其高电子饱和速率，制成高频和微波SiC器件更是不可替代。不仅如此，SiC材料还是发光二极管和激光二极管的重要衬底材料。表2 SiC材料各项性能性能与Si材料相比禁带宽度约为Si材料的2.9倍热导率约为Si材料的3.3倍击穿场强约为Si材料的10倍最咼工作温度约为Si材料的3倍开关损耗约为Si材料的1%资料来源：赛迪智库原材料工业研究所编辑整理目前，全球S
6、iC材料的生产商主要包括美国的Cree公司、Dow Corning和 II-VI公司，德国的SiCrystal公司，以及我国的北京天科合达、山东天岳、东 莞天域以及厦门瀚天天成等，其中美国Cree公司是全球最大的SiC材料供应商， 德国SiCrystal公司是欧洲市场的主要供应商。表3全球SiC材料生产商的产品供应情况生产商产品规格Cree100mm和150mm的SiC衬底片Dow Corning100mm的SiC衬底片SiCrystal100mm的SiC衬底片II-VI50mm、75 mm 和 100 mm 的 SiC 衬底片北京天科合达50mm、75 mm 和 100 mm 的 SiC 衬
7、底片山东天岳50mm、75 mm 和 100 mm 的 SiC 衬底片东莞天域75 mm和100 mm的SiC衬底片厦门瀚天天成碳化硅外延晶片资料来源：赛迪智库原材料工业研究所编辑整理我国SiC材料产业起步晚。早在1991年，美国Cree公司就成功推出SiC材 料，而我国在上世纪90年代末才开始着手研究SiC材料，直到2006年9月才成立了首家SiC材料生产企业一一北京天科合达蓝光半导体有限公司。随着近几年 SiC材料的快速发展，我国碳化硅材料产业发展技术水平与国外差距正在缩小。 2011年北京天科合达准备进入4英寸SiC晶体量产,2013年开始进行6英寸SiC 晶体研发工作。如今，北京天科合
8、达已经建成了 SiC生长的生产线以及加工、检 测、清洗、封装的生产线，发展成为亚太地区SiC晶片生产制造的先行者。目前，国内许多高校和研究机构积极开展SiC晶体生产的研究工作，这为我 国SiC材料研究工作的开展搭建了很好的研发平台，表4是国内SiC晶体的重点 研发单位。当前，SiC晶片在我国研发尚属起步阶段，SiC晶片在国内的应用较 少，SiC材料产业的发展缺乏下游应用企业的支撑。表 4 国内 SiC 晶体的重点研发单位序号省份单位1北京中科院物理所2北京中科院半导体所3北京中科院微电子所4江苏中电集团第五十五研究所5河北中电集团第十三研究所6四川电子科技大学7陕西西安电子科技大学8江苏浙江大
9、学苏州工业技术研究院电力电子器件研发中心9湖南株洲南车时代电气10北京国网智能电网研究院资料来源：赛迪智库原材料工业研究所编辑整理（2）发展趋势SiC材料十分符合低碳经济的发展要求，备受各国的关注，未来发展前景十 分广阔。以半导体电源为例，当前全球整个半导体电源市场规模是 340 亿美元， 但是碳化硅电源半导体市场占整个半导体电源市场的比例尚不足1%。据业内人 士分析预测，碳化硅半导体电源市场将在未来十年内得到快速发展并在市场上占 据一定的规模。今后，随着SiC材料在电动汽车、混合动力汽车、电源输送元器 件、LED照明、光伏应用等众多领域的应用，SiC材料将保持高速发展。据Market Res
10、earch研究表明，在未来的10年内碳化硅的生产商有望达到38%的年复合增 长率。2、GaN 的发展现状及趋势(1)发展现状与传统Si材料相比，GaN材料各项性能如表5。利用GaN材料低的热产生率 和高的击穿电场，可以研制高温大功率电子器件和高频微波器件，制成金属场效 应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET) 等新型器件；利用其宽带隙特性，制成蓝光发光器件、绿光发光器件、高亮度 LED等多种类型发光器件，其中制成的蓝光发光器件可应用于高密度光盘信息存 取、全光显示、激光打印机等领域，咼亮度，制成的咼亮度LED可用于汽车照明、 交通信号、高密
11、度DVD存储等。总之，作为第3代半导体产业发展的关键材料， GaN材料是未来新一代光电子、功率电子和高频微电子器件的重要支撑材料。表5 GaN的各项性能性能与Si材料相比禁带宽度约为Si材料的3.1倍热导率约为Si材料的0.9倍击穿场强约为Si材料的11倍最咼工作温度约为Si材料的3.75倍开关损耗约为Si材料的50%资料来源：赛迪智库原材料工业研究所编辑整理上世纪90年代之后，LED产业的快速发展大大促进了 GaN的发展，其年均增 长率超过30%。进入新世纪，GaN开始进军大功率电子器件市场。目前，全球涉 足GaN器件的公司主要有美国的国际整流器公司、射频微系统公司、飞思卡尔 (Freesc
12、ale)半导体公司，德国的Azzurro公司，英国的普莱思公司，日本的 富士通公司和松下公司，加拿大的氮化镓系统公司等。而在2012年，全球仅有 两三家器件供应商，2013年后陆续有多家公司推出新产品，GaN器件市场开始得 以快速发展。如2013年美国IR开始商业装运GaN功率器件，同年德国Azzurro 公司推出1Bin硅基氮化镓LED晶圆，美国射频微系统公司推出世界首个用于制 造射频功率晶体管的碳化硅基氮化镓晶圆，东芝推出第二代硅基氮化镓白色LED, 英国普莱思半导体公司（Plessey）推光效翻倍的新一代硅基氮化镓LED。2015 年，美国Qorvo公司推出雷达和无线电通信用塑料封装氮化
13、镓晶体管，日本松下 宣称2016年量产用于电源和马达控制的GaN半导体。2012年全球氮化镓器件市场占有率由高到低依次为美国、欧洲、亚洲和世界 其他地区，其中美国在全球市场占有率达32.1%。据美国透明度市场研究公司称， 2012年氮化镓半导体器件市场产值约为3.8亿美元，其中军事国防和宇航部分 占据氮化镓半导体市场的最高份额。我国在GaN半导体产业起步晚、起点低，为了赶超国际水平，国内近几年作 了很大努力，但是仍然存在较大差距，如在大尺寸GaN HEMT外延材料工程化和 产业化方面，目前国际上产业化主流水平为4英寸，技术已经相当成熟，并已经 开始6英寸关键技术研发工作，而我国在GaN HEM
14、T外延材料方面基本上还处于 4英寸的研发阶段，虽有部分实现小批量试产，但尚未形成大规模的产业化。（2）发展趋势由于GaN材料所具有的噪声系数优良、最大电流高、击穿电压高、振荡频率 高等独特优势，不仅能够满足军事雷达、激光探测、宇航、电动汽车、高速列车、 太阳能、发电等多个领域的要求，同时也顺应了我国绿色经济发展趋势。随着下 游应用领域的扩展和军事需求的增加，我国对高速、高温和大功率半导体器件需 求的不断增长，GaN材料发展有着巨大的市场前景。未来10年，GaN材料消费年 复合增长率将超过20%，并有望成为继硅和砷化镓等关键材料之后新的经济增长 点。三、发展建议从政府方面，要加大政策支持力度，从
15、信贷、税收、土地等多个方面对企业 发展进行大力扶持；加大创新资源投入，从人员、材料、物力等多个角度对第3 代半导体材料的基础研发工作和关键共性技术问题研究进行重点支持；积极搭建 信息共享平台、产业化发展促进平台等一批有效促进产业发展的平台或机构，构 建完善的产业发展服务体系；制定完善的产业标准体系，规范企业发展和产品质 量，营造公平的市场环境；积极培育具有竞争力的龙头企业，帮助企业打造几个 具有国际影响力的大品牌；积极推动官产学研用的紧密结合，加快产业化实施进从企业方面，要积极引进国外先进技术，实现“消化-吸收-创新”，努力赶 超国际先进技术水平；建设开放型人才体系，积极引进一批域内的高端人才，同 时健全企业内部专业人才培养体系，组建一支强有力的科研创新队伍；紧跟世界 发展前沿，加大研发投入；积极与高校和科研机构组建战略联盟，就人才培养和 技术研发等开展密切合作；加强企业间的交流，尤其要积极参加国际交流活动， 提升企业发展水平；关注企业品牌建设，努力打造企业的拳头产品等。
