史上最全第三代半導體產業發展介紹（附世界各國研究概況解析）來源:|作者:id1506174|發布時間: 2018-01-03 第3代半導體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料，各類半導體材料的帶隙能比較見表1。與傳統的第1代、第2代半導體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第3代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能，使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現出巨大的潛力，是世界各國半導體研究領域的熱點。 一、主要應用領域的發展概況 ２電力電子器件 在電力電子領域，寬禁帶半導體的應用剛剛起步，市場規模僅為幾億美元。其應用主要集中在軍事尖端裝備領域，正逐步向民用領域拓展。微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領域。功率器件方面，GaN和SiC兩種材料體系的應用領域有所區別。Si基GaN器件主要的應用領域為中低壓（200～1 200V）， 如筆記本、高性能服務器、基站的開關電源；而SiC基GaN則集中在高壓領域（＞1 200V），如太陽能發電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網的逆變器等器件。 ３激光器和探測器 在激光器和探測器應用領域，GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍，實現藍、綠、紫外激光器和紫外探測的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盤，其數據存儲盤空間比藍光光盤高出20倍。除此之外，紫色激光器還可用于醫療消毒、熒光激勵光源等應用，總計市場容量為12億美元。藍色激光器可以和現有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起，實現全真彩顯示，使激光電視實現廣泛應用。目前，藍色激光器和綠光激光器產值約為2億美元，如果技術瓶頸得到突破，潛在產值將達到500億美元。GaN基紫外探測器可用于導彈預警、衛星秘密通信、各種環境監測、化學生物探測等領域，但尚未實現產業化。 ４其他應用 在前沿研究領域，寬禁帶半導體可用于太陽能電池、生物傳感器、水制氫媒介、及其他一些新興應用，目前這些熱點領域還處于實驗室研發階段。 在以上4個應用領域中，半導體照明和電力電子器件2個領域成為了2014年初關注焦點。前者是因為美國"白熾燈"禁令于2014年1月1日開始實施，停止銷售市場最暢銷的40W和60W白熾燈，此舉旨在推廣緊湊型熒光燈、LED燈和其他高能效比節能燈泡。隨著世界各國相繼出臺全面淘汰白熾燈的政策法規，預計2014年將成為半導體照明近期發展最快的一年。后者是受到美國政府"國家制造業創新網絡"計劃的影響。2014年1月15日，奧巴馬總統宣布成立"新一代電力電子器件國家制造創新中心"，在未來5年內，該中心通過美國能源部投資7 000萬美元，帶動企業和研究機構投入7 000萬美元以上匹配資金，致力于研發和制造高性能并具有價格競爭優勢的半導體電力電子器件。中心將由美國北卡羅來納州立大學領導，會同阿西布朗勃法瑞公司（ABB）、科銳公司（Cree, Inc）、射頻微器件公司（RF Mico Devices, Inc.）、臺達公司（Delta Products Inc.）、阿肯色電力電子國際公司（Arkansas Power Electronics International, Inc.）、東芝國際公司（Toshiba International Corporation）、美國海軍研究實驗室（U.S. Naval Research Laboratory）等超過25家公司、大學及政府機構，此舉將極大地加速寬禁帶半導體電力電子器件在民用領域的應用，并引發全球的關注。基于這些原因，本文將重點對上述2個領域近期的發展情況進行進一步的介紹。 二、半導體照明 隨著照明科技的不斷進步，半導體發光二極管（LED）作為一種固體照明光源，以其高光效、長壽命、節能環保、應用廣泛等諸多優勢，正在逐步替代傳統的白熾燈，成為繼白熾燈、熒光燈之后的又一次光源革命。LED燈比傳統的白熾燈發光效率高80%左右，壽命長2倍，且不含汞、鉛等有害物質，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。根據美國能源部研究報告，一個價值15美元的LED燈，在其生命周期內，將比白熾燈節省超過140美元的電費。 近年來，隨著LED發光效率的大幅度提升，單位流明的價格逐步下降，各類創新產品不斷涌現，照明質量不斷提高。其應用已從最初的指示燈，逐步拓展到室內照明、舞臺照明、景觀照明等各個照明領域。目前，照明耗能約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電已成為節省能源的重要途徑。為此，發達國家紛紛宣布白熾燈淘汰計劃，積極推廣LED照明，應對逐年的全球溫室效應。美國、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、韓國等國相繼宣布停止銷售白熾燈。我國也將于2012-2016年，逐步淘汰白熾燈。 1國外LED產業發展概況 美國是半導體照明技術的領跑者，一直處于技術和產業的領先地位。為了減少照明電力的能源消耗，緩解能源枯竭，美國能源局自2000年就開始推動固態照明技術研究，逐步實現固態照明對傳統照明的替代。隨后，奧巴馬的"美國能源新政"把發展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推動能源結構的調整作為促進美國經濟復蘇和創造就業最重要的舉措。半導體照明技術被認為是能源應用領域中重要的技術創新之一，在美國能源結構的轉型中發揮重要作用。 美國能源部的固態照明發展戰略規劃共獲得美國國會2.98 億美元的撥款，資助了超過200個研究項目。此計劃取得了顯著的經濟和社會效益，根據相關研究報道，2012年LED燈為美國節省了71萬億BTU(英國熱量單位)，相當于節省了6.75億美元的能源開支。預計2030 年美國 LED照明的普及能夠將能源消耗節省近半，2010-2030年期間所節省的累計電量將達2 700TWh，相當于剩下2 500億美元的開銷，也等同于18億t二氧化碳排放量（見圖2）。 除美國以外，其他發達國家也積極推動LED產業的發展。日本早在1998年就推出了"21世紀光計劃"，投入60億日元用于開發白光LED照明光源，計劃在2020年實現100%的照明產品為新一代高效率照明。歐洲則于2000年開始的"彩虹計劃"，通過歐盟補貼來推廣LED的應用。在隨后推出的"地平線2020"計劃中，固體照明和OLED都被囊括其中，光電子領域的投入將達到7億歐元。韓國在2002年提出"GaN半導體開發計劃"，國家投入1億美元推動LED照明發展。在隨后的"15/30計劃"中，又投入50億韓元經費，進行LED照明的標準規范擬定作業，并規劃在2015年前將境內30%的照明淘汰換成LED照明。 2013 年，我國半導體照明產業整體規模達到2 576 億元，較2012 年的1 920 億元增長34%。其中上游外延芯片生產產值規模達到105億元，增長率為31.5%；中游封裝產業規模達到403 億元，增長率為26%；下游應用領域整體規模達到2 068 億元，增長率達到36%。根據聯盟預計，2014 年，國內半導體照明產業將繼續保持高速增長，預計增長率達到40%左右。外延芯片產值增長率預計達到35%左右，封裝產業預計增速在20%左右，應用環節產值增長率超過50%。 ３未來技術及產業發展方向 現階段LED燈的整體發光效率可達130～160 lm/W，已經具有取代傳統照明市場實力，預計發光效率還將快速提升，2015年將達到160～190 lm/W，2020年將達到235 lm/W左右（見表2）。目前，制約LED大規模應用的關鍵仍然是價格因素。雖然在過去的5年中，LED照明產品的售價有了大幅度的下降，但和普通的節能燈相比仍不具備價格優勢（見圖3）。近幾年來，隨著生產成本下降和資本大量流入的影響，這種局面開始產生變化，LED照明與傳統照明產品之間的價格差距正在逐漸縮小。2013年末到2014年初，在許多國家和區域，無論是取代40W或是60W的LED燈最低售價都已經跌破10美元，全球這兩種LED燈平均價格也分別下降到15美元和21美元的低位。許多人認為10美元的價格區間將是家庭住宅大規模選擇使用LED燈具的一個關鍵轉折點，因此2014年很有可能將成為LED照明需求快速增長的一年，成為LED照明產品的拐點年。預計2014年LED照明滲透率也將由8%～10%提升至32.7%，LED照明市場產值達到為353億美元，較2013年成長 47.8%。到2020年，全球LED照明市場份額有望增長到840億美元。 1軍事方面的應用 最初，針對禁帶半導體的研究與開發主要是為了滿足軍事國防方面的需求。早在1987年，美國政府和相關研究機構就促成了科銳公司（Cree）的成立，專門從事SiC半導體的研究。隨后，美國國防部和能源部先后啟動了"寬禁帶半導體技術計劃"和"氮化物電子下一代技術計劃"，積極推動SiC和GaN寬禁帶半導體技術的發展。美國政府一系列的部署引發了全球范圍內的激烈競爭，歐洲和日本也相繼開展了相關研究。歐洲開展了面向國防和商業應用的"KORRIGAN"計劃和面向高可靠航天應用的"GREAT2"計劃。日本則通過"移動通訊和傳感器領域半導體器件應用開發"、"氮化鎵半導體低功耗高頻器件開發"等計劃推動第3代半導體在未來通信系統中的應用。經過多年的發展，發達國家在寬禁帶半導體材料、器件及系統的研究上取得了豐碩的成果，實現了在軍事國防領域的廣泛應用。 由于SiC和GaN兩種材料的特性不同，它們的應用領域也有所區別：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作為大功率高頻功率器件。GaN材料的功率密度是現有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，被應用于雷達、電子對抗、智能化系統及火控裝備，用來提高雷達性能和減小體積。根據報道，美國海軍新一代干擾機吊艙、空中和導彈防御雷達AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件，以取代洛馬公司的SPY-1相控陣雷達（宙斯盾系統核心雷達）。SiC則應用于高壓、高溫、強輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統，起到抵抗極端環境和降低能耗的作用。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射系統均靠電力驅動，能在300英尺的距離內把飛機速度提高到160海里/h。其區域配電系統采用全SiC器件為基礎的固態功率變電站，這使得每個變壓器的質量從6t減少為1.7t，體積從10m3減少為2.7m3。 ２民用領域應用 隨著在軍事領域的應用逐步成熟，寬禁帶半導體的應用開始逐步拓展到民用應用領域，其節能效應也將惠及到國民經濟的方方面面。近年來，信息技術在原有基礎上又得到快速發展，大量的以新技術為基礎的新產品、新應用正在迅速普及，所帶來的電力電子設備的能源消耗量也快速增長。根據預測，美國電力電子設備用電量占總量的比例將從2005年的30%增長到2030年的80%。半導體在節能領域中應用最多就是功率器件，絕大多數電子產品都會使用到一顆或多顆功率器件產品。寬禁帶半導體的帶隙明顯大于硅半導體，從而可有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗。其相關器件的推廣應用將給工業電機系統、消費類電子產品、新能源等領域帶來深遠的影響。 在電動汽車和混合動力汽車領域，寬禁帶半導體可以把直流快充電站縮小到微波爐一樣大小，并減少2/3的電力損失。由于這些電子產品可以承受更高的工作溫度，可使得車輛冷卻系統的體積減少60%，甚至消除了二次液體冷卻系統。３市場前景 基于寬禁帶半導體的廣闊應用前景、巨大的市場需求和經濟效益，繼半導體照明以后，美國將第三代半導體材料的電子電力器件應用提升到國家戰略的高度，確保美國在這一領域的優勢地位。相對于半導體照明行業，寬禁帶半導體在電子電力領域的應用剛剛起步，但預計其潛在市場容量超過300億美元。 功率器件方面，2012年全球SiC和GaN基功率器件市場的銷售規模僅為1億多美元，大部分應用集中在電源。其中，SiC基器件的市場規模達到9 000萬美元，而GaN基器件僅為1 000多萬。2013年，各大企業紛紛推出GaN功率器件樣品，這標志著其在民用市場的商業化進程開始加速。隨著價格下降和產量的增加，預計市場拐點或將出現在2015年。SiC基器件的價格有望下降到2012年的一半左右，GaN基器件的價格也可能進一步下降，屆時市場規模有望接近5億美元。2020年，市場規模將達到20億美元，相比2012年提高20倍。微波器件方面，2012年GaN基微波器件市場收入接近9 000萬美元，預計GaN整體市場微波及功率器件到2015年達到3.5億美元。 我國開展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比較晚，在科技部及軍事預研項目的支持下，取得了一定的成果，逐步縮小了與國外先進技術的差距，在軍工領域已取得了一些應用。但是，研究的主要成果還停留在實驗室階段，器件性能離國外的報道還有很大差距。目前，已有少數企業成功開發SiC和GaN材料及器件，GaN微波器件和SiC功率器件于2013年進入小批量生產階段，預計在未來2～3年內將實現量產。 史上最全的第三代半導體材料，世界各國研究概況解析！ 材料、信息、能源構筑的當代文明社會，缺一不可。半導體不僅具有極其豐富的物理內涵，而且其性能可以置于不斷發展的精密工藝控制之下，可謂是"最有料"的材料。在不久的將來，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料的應用，無論是在軍用領域還是在民用市場，都是世界各國爭奪的戰略陣地。 半導體材料的發展歷程 導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體，半導體材料是一類具有半導體性能、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。 目前的半導體材料已經發展到第三代。第一代半導體材料主要以硅（Si）、鍺（Ge）為主，20世紀50年代，Ge在半導體中占主導地位，主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但是Ge半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被Si器件取代。用Si材料制造的半導體器件，耐高溫和抗輻射性能較好。Si儲量極其豐富，提純與結晶方便，二氧化硅（SiO2）薄膜的純度很高，絕緣性能很好，這使器件的穩定性與可靠性大為提高，因此Si已經成為應用最廣的一種半導體材料。目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是由Si材料制作。在21世紀，它的主導和核心地位仍不會動搖。但是Si材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。 20世紀90年代以來，隨著移動通信的飛速發展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網的興起，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP等材料適用于制作高速、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，廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信、GPS導航等領域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，能污染環境，InP甚至被認為是可疑致癌物質，這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有很大的局限性。 第三代半導體材料主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導體材料。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是半導體材料領域最有前景的材料，在國防、航空、航天、石油勘探、光存儲等領域有著重要應用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，對人類科技的發展具有里程碑的意義。 第三代半導體材料1碳化硅單晶材料 在寬禁帶半導體材料領域就技術成熟度而言，碳化硅是這族材料中最高的，是寬禁帶半導體的核心。 SiC材料是IV-IV族半導體化合物，具有寬禁帶(Eg：3.2eV)、高擊 穿電場(4×106V/cm)、高熱導率(4.9W/cm.k)等特點。從結構上講，SiC材料屬硅碳原子對密排結構，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面體空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面體空位。對于碳化硅密排結構，由單向密排方式的不同產生各種不同的晶型,業已發現約200種。目前最常見應用最廣泛的是4H和6H晶型。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技術的發展，其電子器件和電路將為系統解決上述挑戰奠定堅實基礎。因此SiC材料的發展將直接影響寬禁帶技術的發展。 SiC器件和電路具有超強的性能和廣闊的應用前景，因此一直受業界高度重視，基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面。 目前，國際上實現碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國的Cree公司、Bandgap公司、DowDcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司；日本的Nippon公司、Sixon公司；芬蘭的Okmetic公司；德國的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市場占有率超過85%。在所有的碳化硅制備廠商中以美國Cree公司最強，其碳化硅單晶材料的技術水平可代表了國際水平，專家預測在未來的幾年里Cree公司還將在碳化硅襯底市場上獨占鰲頭。 GaN材料是1928年由Johason等人合成的一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料， 在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結構，它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的1/2；其化學性質穩定，常溫下不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；在HCl或H2下高溫中呈現不穩定特性，而在N2下最為穩定。GaN材料具有良好的電學特性，寬帶隙(3.39eV)、高擊穿電壓(3×106V/cm)、高電子遷移率(室溫1000cm2/V·s)、高異質結面電荷密度(1×1013cm-2)等，因而被認為是研究短波長光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優選材料，相對于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作。另外，氮化鎵器件可以在1~110GHz范圍的高頻波段應用，這覆蓋了移動通信、無線網絡、點到點和點到多點微波通信、雷達應用等波段。 近年來，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領域和微波器件方面的應用前景而受到廣泛的關注。 作為一種具有獨特光電屬性的半導體材料，GaN的應用可以分為兩個部分：憑借GaN半導體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半導體材料；憑借GaN半導體材料寬禁帶、激發藍光的獨特性質開發新的光電應用產品。目前GaN光電器件和電子器件在光學存儲、激光打印、高亮度LED以及無線基站等應用領域具有明顯的競爭優勢，其中高亮度LED、藍光激光器和功率晶體管是當前器件制造領域最為感興趣和關注的。 國外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，現在美國、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，都出現了可以生產氮化鎵體單晶材料的公司，其中以美國、日本的研究水平最高。 美國有很多大學、研究機構和公司都開展了氮化鎵體單晶制備技術的研究，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。Kyma公司現在已經可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化鎵單晶襯底，且已研制出4英寸氮化鎵單晶襯底。 日本在氮化鎵襯底方面研究水平也很高，其中住友電工(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)等也開展了相關研究。日立電線的氮化鎵襯底，直徑達2英寸，襯底上位錯密度都達到1×106cm-2水平。 歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN和法國的Lumilog兩家公司。TopGaN生產GaN材料采用HVPE工藝，位錯密度1×107cm-2，厚度0.1～2mm，面積大于400mm2。綜上，國外的氮化鎵體單晶襯底研究已經取得了很大進展，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 。 AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接帶隙，可以廣泛應用于光電子領域。與砷化鎵等材料相比，覆蓋的光譜帶寬更大，尤其適合從深紫外到藍光方面的應用，同時Ⅲ族氮化物具有化學穩定性好、熱傳導性能優良、擊穿電壓高、介電常數低等優點，使得Ⅲ族氮化物器件相對于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，可以在更高頻率、更高功率、更高溫度和惡劣環境下工作，是最具發展前景的一類半導體材料。 AlN材料具有寬禁帶(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。 近年來，GaN基藍、綠光LED、LD、紫外探測器以及大功率高頻HEMT器件都有了很大發展 。在AlGaNHEMT器件方面，AlN與GaN材料相比有著更高的熱導率，而且更容易實現半絕緣；與SiC相比，則晶格失配更小，可以大大降低器件結構中的缺陷密度，有效提高器件性能。AlN是生長Ⅲ族氮化物外延層及器件結構的理想襯底，其優點包括：與GaN有很小的晶格失配和熱膨脹系數失配；化學性質相容；晶體結構相同，不出現層錯層；同樣有極化表面；由于有很高的穩定性并且沒有其它元素存在，很少會有因襯底造成的沾污。AlN材料能夠改善器件性能，提高器件檔次，是電子器件發展的源動力和基石。 目前國外在AlN單晶材料發展方面，以美國、日本的發展水平為最高。 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。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或藍寶石襯底上淀積10～30μm的電絕緣AlN層。主要用作低缺陷電絕緣襯底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已經有2、3、4、6英寸產品。日本的AlN技術研究單位主要有東京農工大學、三重大學、NGK公司、名城大學等，已經取得了一定成果，但還沒有成熟的產品出現。另外俄羅斯的約菲所、瑞典的林雪平大學在HVPE法生長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。在國內，AlN方面的研究較國外明顯滯后，一些科研單位在AlNMOCVD外延生長方面，也有了初步的探索，但都沒有明顯的突破及成果。 金剛石是碳結晶為立方晶體結構的一種材料。在這種結構中，每個碳原子以"強有力"的剛性化學鍵與相鄰的4個碳原子相連并組成一個四面體。金剛石晶體中，碳原子半徑小，因而其單位體積鍵能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(維氏硬度可達10400kg/mm2)。 另外，金剛石材料還具有禁帶寬度大(5.5eV)；熱導率高，最高達120W/cm·K(-190℃)，一般可達20W/cm.K(20℃)；傳聲速度最高，介電常數小，介電強度高等特點。金剛石集力學、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。依據金剛石優良的特性，應用十分廣泛，除傳統的用于工具材料外，還可用于微電子、光電子、聲學、傳感等電子器件領域。 氧化鋅（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纖鋅礦結構的半導體材料，禁帶寬度為3.37eV；另外，其激子束縛能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束縛能使它在室溫下穩定，不易被激發(室溫下熱離化能為26meV)，降低了室溫下的激射閾值，提高了ZnO材料的激發效率。 基于這些特點，ZnO材料既是一種寬禁帶半導體，又是一種具有優異光電性能和壓電性能的多功能晶體。 它既適合制作高效率藍色、紫外發光和探測器等光電器件，還可用于制造氣敏器件、表面聲波器件、透明大功率電子器件、發光顯示和太陽能電池的窗口材料以及變阻器、壓電轉換器等 。相對于GaN，ZnO制造LED、LD更具優勢，具預計，ZnO基LED和LD的亮度將是GaN基LED和LD的10倍，而價格和能耗則只有后者的1/10。 ZnO材料以其優越的特性被廣泛應用，受到各國極大關注。 日、美、韓等發達國家已投入巨資支持ZnO材料的研究與發展，掀起世界ZnO研究熱潮。 據報道，日本已生長出直徑達2英寸的高質量ZnO單晶；我國有采用CVT法已生長出了直徑32mm和直徑45mm、4mm厚的ZnO單晶。材料技術的進步同時引導和推進器件技術的進步，日本研制出基于ZnO同質PN結的電致發光LED；我國也成功制備出國際首個同質ZnO－LED原型器件，實現了室溫下電注入發光。器件制備技術的進步，推動ZnO半導體材料實用化進程，由于其獨特的優勢，在國防建設和國民經濟上將有很重要的應用，前景無限。 半導體照明 半導體照明技術及其產品正向著更高光效、更低成本、更可靠、更多元化領域和更廣泛應用的方向發展。新型襯底上外延高效率GaN-LED正是突破藍寶石襯底外延瓶頸的發展趨勢。SiC是除了藍寶石之外，作為GaN外延襯底使用最多的材料。但是，眼下SiC 襯底的市場主要被Cree公司壟斷，導致其市場價格遠高于藍寶石，所以SiC 襯底的應用還遠沒有藍寶石那樣廣泛。 美國Cree公司依靠其掌握的SiC晶體制備和LED外延等關鍵技術，逐步實現了從SiC襯底到LED外延、芯片封裝、燈具設計的完整照明器件產業鏈，壟斷了整個SiC襯底LED照明產業。2013年，Cree公司報道的LED發光效率已經超過276lm/W。Cree的LED照明產業的年產值達到了12億美元，市場規模增長迅速。由此可見，SiC襯底LED在照明產業中占據的市場規模不容小覷，表現出很強的市場競爭力和技術競爭力。 另外，采用自支撐 GaN 襯底制備LED可以最大程度地降低LED外延結構的晶格失配和熱失配，實現真正的同質外延，可以大幅度降低由異質外延引起的位錯密度。國際上相關報道較多的幾個研究組是美國的通用公司（GE）、加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）、佐治亞理工學院（Georgia Tech）、西弗吉尼亞大學（West Virginia）大學、以及日本的住友（Sumitomo） 電工、松下（Panasonic）和三菱（Mitsubishi）等。美國 UCSB 的研究人員在2012年報道自支撐GaN襯底上同質外延LED的發光效率已經超過160lm/W。并且在較高電流密度下，光輸出依然沒有飽和，且反向漏電流極低。在高注入電流條件下，GaN同質襯底外延技術表現出藍寶石外延技術所沒有的性能優勢。 短波長激光器 大功率、低成本的短波長激光器一直是激光技術研究的重點和難點，而III族氮化物材料體系的光譜特性決定其將在短波長固態激光器領域大顯身手。 氮化物半導體激光器具有結構簡單、體積小、壽命長、易于調制等特點，有助于實現更高的亮度、更長的壽命和更豐富的色彩。信息科技的發展迫切需要功率密度更高、發光波長更短的激光器。 由于綠色光在水下的損耗較小，綠光半導體激光器可用于深海光無線通信，其具有抗干擾、保密性好的優點。藍色和紫外光激光器由于其波長短，能量高，能實現更大的存儲密度（單張單層藍光光盤的存儲密度最少為25GB，是普通DVD光盤的5倍），在信息領域將對數據的光存儲產生革命性的影響。 近年來，綠光激光器的重點突破是基于GaN襯底的高In組分同質外延和二次外延技術，實現InGaN材料中In組分超過35%，激射波長達到510～530nm的綠光激光器。紫外光激光器的重要突破是AlN模板（低成本）與AlN襯底（高性能）互補結合，實現高質量、高Al組分AlGaN材料的外延制備技術，實現發光波長280～300nm，室溫光泵浦發光的紫外激光器。 光伏電池 第3代半導體在新能源領域同樣具有重要應用前景。GaN材料體系中的InGaN（銦鎵氮）太陽能電池的光學帶隙可連續調節，特別適合于制作多結疊層太陽能光伏電池，實現全太陽可見光譜能量的吸收利用，提高光伏電池的轉換效率。其理論轉換效率可達70%，遠遠超過其他材料體系。同時，InGaN的抗輻射能力遠強于目前常用的Si、GaAs等太陽能電池材料，更適合應用于存在強輻射的外太空環境中，如為外太空航天器提供動力的太陽帆，因此InGaN太陽能電池在航空航天等領域也有廣泛應用。 寬禁帶半導體材料作為一類新型材料，具有獨特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優異的性能，在眾多方面具有廣闊的應用前景。它能夠提高功率器件工作溫度極限，使其在更惡劣的環境下工作；能夠提高器件的功率和效率，提高裝備性能；能夠拓寬發光光譜，實現全彩顯示。隨著寬禁帶技術的進步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現，在高端領域將逐步取代第一代、第二代半導體材料，成為電子信息產業的主宰。 上一篇晶圓為什么是圓形？
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