半导体材料是指电导率介于金属与绝缘体之间的材料，半导体材料的电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm之间，一般情况下电导率随温度的升高而增大。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。半导体材料可以说是整个电子产业的元素，是实现电子性能的载体，所有电子元器件都是经过对半导体材料的加工而成为实物的。因此，半导体材料对于现代信息化产业具有举足轻重的地位，半导体材料产业是信息化产业的基础产业。

 

半导体材料性能比较
半导体材料		带隙（eV）	熔点（K）	主要应用
第一代半导体材料	锗Ge	1.1	1221	低压、低频、中功率晶体管、光电探测器
	硅Si	0.7	1687
第二代半导体材料	砷化镓GaAs	1.4	1511	微波、毫米波器件、发光器件
第三代半导体材料	碳化硅SiC	3.05	2826	1高温、高频、抗辐射、大功率器件； 2蓝、绿、紫发光二极管、半导体激光器
	氮化镓GaN	3.4	1973
	氮化铝AlN	6.2	2470
	金刚石C	5.5	大于3800
	氧化锌ZnO	3.37	2248
资料来源：公开资料整理

 

第一代半导体材料

                           

以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20 世纪50 年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT 产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。

硅（Si）仍然是目前最重要的半导体材料，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的。1960年出现了0.75寸（约20mm）的单晶硅片。1965年以分立器件为主的晶体管，开始使用少量的1.25英寸小硅片。之后经过2寸、3寸的发展，1975年4寸单晶硅片开始在全球市场上普及，接下来是5寸、6寸、8寸，2001年开始投入使用12寸硅片，预计在2020年，18寸（450mm）的硅片开始投入使用。

硅片的制备过程把硅锭切割成晶圆（硅片），并对硅片进行抛光和清洗。硅片占整个半导体材料市场的32%左右，行业市场空间约76亿美元。国内半导体硅片市场规模为130亿人民币左右，占国内半导体制造材料总规模比重达42.5%。而这一领域主要由日本厂商垄断，我国6英寸硅片国产化率为50%，8英寸硅片国产化率为10%，12英寸硅片完全依赖于进口。目前市场上在使用的硅片有 200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）硅片。由于晶圆面积越大，在同一晶圆上可生产的集成电路IC越多，成本越低，硅片的发展趋势也是大尺寸化。12英寸硅片主要用于生产90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的存储器、数字电路芯片及混合信号电路芯片，是当前晶圆厂扩产的主流。

由于面临资金和技术的双重压力，晶圆厂向450mm（18英寸）产线转移的速度放缓，根据国际预测，到2020年左右，450mm的硅片开发技术才有可能实现初步量产。

此外还出现了新的硅材料—SOI（绝缘衬底上的硅），SOI技术在顶层硅与背衬底之间引入了一层氧化层。具有如下优点：功耗低、开启电压低、高速、高集成度、与现有集成电路兼容且减少工艺流程、耐高温、抗辐照。基于SOI结构的器件在本质上可以减小结电容和漏电流，提高开关速度，降低功耗，实现高速，低功耗运行。作为下一代硅基集成电路技术，SOI广泛应用于微电子的大多数领域，同时还在光电子、MEMS等其他领域得到应用。

 

第二代半导体材料

 

20 世纪90 年代以来，随着移动无线通信的飞速发展和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(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的第二代半导体材料开始兴起。GaAs 作为第二代半导体材料的代表，与第一代Si 材料相比，具有电子迁移率高、禁带宽度较宽的特性，使得其在高频及无线通信领域得以广泛应用，主要包括卫星通信、军用电子、航空航天、工业电子、汽车电子等。

GaAs 产品包括无线和卫星通信中的接收、放大、发射系统；雷达等的微波处理设备；航空航天中的电子、激光、传感设备；家电、机械产业中的控制、耦合等电子设备；这些应用不仅包含关乎民计民生的手机、汽车和家电，更包含关乎国家安全的卫星、雷达。

目前，全球GaAs 半导体制造商市场份额最大的五家企业分别是Skyworks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋，约占全球总额的65%。而在GaAs 原材料领域，IQE、全新、Kopin 三家公司占据市场67.3%的份额。

 

第三代半导体材料—宽禁带半导体材料

 

当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料-- 宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600 ℃以上、抗辐照1×106 rad；小栅宽GaN HEMT 器件分别在4 GHz 下，功率密度达到40 W/mm；在8 GHz，功率密度达到30 W/mm；在18 GHz，功率密度达到9.1 W/mm；在40 GHz，功率密度达到10.5 W/mm；在80.5 GHz，功率密度达到2.1 W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。

从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC) 和氮化镓(GaN)技术，其中SiC 技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN 技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。

 

碳化硅材料

 

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：3.2 eV)、高击穿电场(4×106 V/cm)、高热导率(4.9 W/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。

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，基本形成了美国、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、Dow Dcorning 公司、II-VI公司、Instrinsic 公司；日本的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，其碳化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。美国Cree 公司1993 年开始有6H 碳化硅抛光片商品出售，过去的十几年里不断有新品种加入，晶型由6H 扩展到4H；电阻率由低阻到半绝缘；尺寸由2寸到6寸，150 mm(6英寸)抛光片已投入市场。

 

氮化镓材料

 

GaN 材料是1928 年由Jonason 等人合成的一种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；其化学性质稳定，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 材料具有良好的电学特性，宽带隙(3.39 eV)、高击穿电压(3×106 V/cm)、高电子迁移率(室温1 000 cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013 cm-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、锗甚至碳化硅器件，GaN 器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。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。近年来，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 的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半导体材料宽禁带、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 以及无线基站等应用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。

GaN 功率器件的制作工艺与GaAs 工艺相似度高，甚至很多设备都是同时支持两种材料的工艺，因此，很多GaAs 器件厂商逐渐增加GaN 器件业务。目前，整个GaN 功率半导体产业处于起步阶段，各国政策都在大力推进该产业的发展。国际半导体大厂也纷纷将目光投向GaN 功率半导体领域，关于GaN 器件厂商的收购、合作不断发生。

 

半导体材料发展趋势

 

第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求：

(1) 突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300 ℃～600 ℃高温电子系统。

(2) 必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。

(3) 必须突破GaAs 功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。

(4) 必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。

 

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。

免责声明：本文来自超天才网客户端，不代表超天才网的观点和立场。文章及图片来源网络，版权归作者所有，如有投诉请联系删除。