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第一代半导体材料是元素半导体的天下，而第二、三代半导体材料便成化合物的天下，这其中经历了什么故事？而我国憋足大招准备在第三半导体材料方面弯道超车是否现实？
本期《趣科技》就来讲讲半导体材料的故事，从第一、二代走过，第三代半导体材料将讲述怎样的未来。
第一代半导体材料
20 世纪 50 年代，锗（Ge）站在光鲜的舞台上，应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但锗半导体器件在耐高温与抗辐射方面却存在大大的短板，所以在 60 年代便把主导地位让给了硅。含量丰富、绝缘性好、提纯结晶简单，硅是至今应用最多的一种半导体材料主要应用于数据运算等领域。
第二代半导体材料
随着科技需求的日益增加，硅传输速度慢、功能单一的不足便暴露了出来，于是化合物半导体材料应运而生。20 世纪 90 年代，搭上移动通信、光纤通信的顺风车，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料逐渐登上舞台，其中以砷化镓技术最为成熟。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，主要应用于通信领域，比如卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS 导航等。
第三代半导体材料
然而随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是特殊场合要求半导体能够在高温、强辐射、大功率等环境下依然坚挺，第一、二代半导体材料便无能为力，于是第三代半导体材料——宽禁带半导体材料（禁带宽度大于 2.2ev）成为被关注的重点，主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAS）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN），较为成熟的是碳化硅和氮化镓被称为第三代半导体材料的双雄，而氧化锌、金刚石、氮化铝的研究尚属起步阶段。
第三代半导体材料的崛起还有另外一个契机，半导体材料在生产中的主要污染物有 GaAs、Ga3+、In3+等，而随着环保绿色概念的推广，人们试图找寻一种既能满足产品需求，又能不污染环境的新型半导体材料，于是目光投向了有机半导体（在半导体材料中渗入有机材料如 C 和 N），GaN、SiC 成为新星。
如今，以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起，抢占第三代半导体材料技术的高地也愈发激烈。第三代半导体材料为何如此耀眼，又将掀起一场怎样的技术革命呢？
材料特性
第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强的等优点。第三代半导体材料还具有发光效率高、频率高等特点，从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用，且在跃迁时放出光子的能量高，因此会有较高的光发射效率，光子发射的频率也较高。
下图为第一、二、三代主要半导体材料的基本性能对比。
SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同志多型体。由于 Si 与 C 双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构，因此 SiC 有着超过 200 种（目前已知）同质多型族，最被人熟知的便是立方密排的 3C-SiC 和六方密排的 2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。
4H-SiC 与 6H-SiC 的带隙是 Si 的 3 倍、是 GaAs 的两倍；击穿电场强度高于 Si 一个数量级；饱和电子漂移速度是 Si 的 2.5 倍。
GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点(约为 1700℃)材料，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构，原子体积大约为 GaAs 的一半。GaN 受青睐的主要原因是它是宽禁带与硅或者其他三五价器件相比，氮化镓速度更快，击穿电压也更高。与硅器件相比，GaN 在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。
AlN 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(LED，LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。
金刚石是已知材料中硬度最高的，禁带宽度大(5.5eV)，集力学、电学、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。
应用领域
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、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品，都对第三代半导体材料有着巨大需求。主要应用在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器以及其他领域。
SiC
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 生产成本的降低，SiC 半导体正逐步取代 Si，为 Si 遇到的瓶颈所担忧的日子也将结束。
1. SiC 材料应用在高铁领域，可节能 20%以上，并减小电力系统体积；
2. SiC 材料应用在新能源汽车领域，可降低能耗 20%；
3. SiC 材料应用在家电领域，可节能 50%；
4. SiC 材料应用在风力发电领域，可提高效率 20%；
5. SiC 材料应用在太阳能领域，可降低光电转换损失 25%以上；
6. SiC 材料应用在工业电机领域，可节能 30%-50%；
7. SiC 材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可使电力损失降低 60%，同时供电效率提高 40%以上；
8. SiC 材料应用在大数据领域，可帮助数据中心能耗大幅降低；
9. SiC 材料应用在通信领域，可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性；
10. SiC 材料可使航空航天领域，可使设备的损耗减小 30%-50%，工作频率提高 3 倍，电感电容体积缩小 3 倍，散热器重量大幅降低。
GaN
以 GaN 等为代表的第三代半导体材料，被广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关 DC-DC 等电源系统设计、电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域，在高亮度 LED 以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势。
竞争格局
SiC
SiC 基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面，可实现碳化硅单晶抛光片的公司主要为美国的 Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的 Nippon、Sixon，芬兰的 Okmetic，德国的 SiCrystal。
Cree 与 SiCrystal 公司占据超过 85%的市场份额。美国 Cree 被认为是此领域的老大，其碳化硅单晶材料的技术水平代表着国际先进水平，专家预测在未来的几年里 Cree 还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。
GaN
国外在氮化镓体单晶材料研究方面起步较早，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，其中以美国、日本的研究水平最高。部分公司已经实现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。
美国一直处于领先地位，先后有 TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI 等公司成功生产出氮化镓单晶衬底。
日本住友电工(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)等正开展了相关研究。
欧洲氮化镓体单晶的研究主要有波兰的 Top-GaN 与法国的 Lumilog。
AlN
AlN 单晶材料发，美国、日本的发展水平最高。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。日本的在 AlN 方面的研究单位主要包括东京农工大学、三重大学、NGK 公司、名城大学，已经有研究成果但还未形成成熟的产品。俄罗斯的约菲所、瑞典的林雪平大学在此 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到 15mm 的 PVTAlN 单晶样品。
ZnO
在 ZnO 材料上日、美、韩等发达国家已投入巨资进行研发，日本已生长出直径达 2 英寸的高质量 ZnO 单晶。我国在此方面也有所建树有，采用 CVT 法已生长出了直径 32mm 和直径 45mm、4mm 厚的 ZnO 单晶。
第三代半导体材料的大好前程
现在已经发展到第三代半导体材料，但是第一代与第二代半导体材料仍在广泛使用。为什么第二代的出现没有取代第一代呢？第三代半导体是否可以全面取代传统的半导体材料呢？
Si 和第二代半导体是两种互补的材料，第二代半导体的某些性能优点弥补了 Si 晶体的缺点，而 Si 晶体的生产工艺又明显的有不可取代的优势，且两者在应用领域都有一定的局限性，因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容，取各自的优点，从而生产出符合更高要求的产品，如高可靠、高速度的国防军事产品。因此第一、二代是一种长期共同的状态。
但是第三代宽禁带半导体材料，可以被广泛应用在各个领域，消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等，且具备众多的优良性能可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈，故被市场看好的同时，随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。
我国在第三半导体材料上的起步比较晚，且相对国外的技术水平较低。这是一次弯道超车的机会，但是我国需要面对的困难和挑战还是很多的。
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