摘要：半導體材料是製作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要材料。其發展經過了三個主要階段：以硅為代表的第一代半導體材料、以砷化鎵為代表的第二代半導體材料、以碳化硅為代表的第三代半導體材料。第三代半導體材料在眾多方面具有廣闊的應用前景，隨著技術的進步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟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。
半導體材料是指電導率介於金屬與絕緣體之間的材料，半導體材料的電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm之間，一般情況下電導率隨溫度的升高而增大。半導體材料是製作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要材料。支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。半導體材料可以說是整個電子產業的元素，是實現電子性能的載體，所有電子元器件都是經過對半導體材料的加工而成為實物的。因此，半導體材料對於現代信息化產業具有舉足輕重的地位，半導體材料產業是信息化產業的基礎產業。
第一代半導體材料
以硅材料為代表的第一代半導體材料的發展是從20 世紀50 年代開始，它取代了笨重的電子管，導致了以集成電路為核心的微電子工業的發展和整個IT 產業的飛躍，廣泛應用於信息處理和自動控制等領域。
硅（Si）仍然是目前最重要的半導體材料，全球95%以上的半導體芯片和器件是用硅片作為基礎功能材料而生產出來的。1960年出現了0.75寸（約20mm）的單晶硅片。1965年以分立器件為主的晶體管，開始使用少量的1.25英寸小硅片。之後經過2寸、3寸的發展，1975年4寸單晶硅片開始在全球市場上普及，接下來是5寸、6寸、8寸，2001年開始投入使用12寸硅片，預計在2020年，18寸（450mm）的硅片開始投入使用。
硅片的製備過程把硅錠切割成晶圓（硅片），並對硅片進行拋光和清洗。硅片佔整個半導體材料市場的32%左右，行業市場空間約76億美元。國內半導體硅片市場規模為130億人民幣左右，佔國內半導體制造材料總規模比重達42.5%。而這一領域主要由日本廠商壟斷，我國6英寸硅片國產化率為50%，8英寸硅片國產化率為10%，12英寸硅片完全依賴於進口。目前市場上在使用的硅片有 200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）硅片。由於晶圓面積越大，在同一晶圓上可生產的集成電路IC越多，成本越低，硅片的發展趨勢也是大尺寸化。12英寸硅片主要用於生產90nm-28nm及以下特徵尺寸（16nm和14nm）的存儲器、數字電路芯片及混合信號電路芯片，是當前晶圓廠擴產的主流。
由於面臨資金和技術的雙重壓力，晶圓廠向450mm（18英寸）產線轉移的速度放緩，根據國際預測，到2020年左右，450mm的硅片開發技術才有可能實現初步量產。
此外還出現了新的硅材料—SOI（絕緣襯底上的硅），SOI技術在頂層硅與背襯底之間引入了一層氧化層。具有如下優點：功耗低、開啟電壓低、高速、高集成度、與現有集成電路兼容且減少工藝流程、耐高溫、抗輻照。基於SOI結構的器件在本質上可以減小結電容和漏電流，提高開關速度，降低功耗，實現高速，低功耗運行。作為下一代硅基集成電路技術，SOI廣泛應用於微電子的大多數領域，同時還在光電子、MEMS等其他領域得到應用。
第二代半導體材料
20 世紀90 年代以來，隨著移動無線通信的飛速發展和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)、磷化鎵(GaP)等為代表的第二代半導體材料開始興起。GaAs 作為第二代半導體材料的代表，與第一代Si 材料相比，具有電子遷移率高、禁帶寬度較寬的特性，使得其在高頻及無線通信領域得以廣泛應用，主要包括衛星通信、軍用電子、航空航天、工業電子、汽車電子等。
GaAs 產品包括無線和衛星通信中的接收、放大、發射系統；雷達等的微波處理設備；航空航天中的電子、激光、傳感設備；家電、機械產業中的控制、耦合等電子設備；這些應用不僅包含關乎民計民生的手機、汽車和家電，更包含關乎國家安全的衛星、雷達。
目前，全球GaAs 半導體制造商市場份額最大的五家企業分別是Skyworks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋，約佔全球總額的65%。而在GaAs 原材料領域，IQE、全新、Kopin 三家公司佔據市場67.3%的份額。
第三代半導體材料—寬禁帶半導體材料
當前，電子器件的使用條件越來越惡劣，要適應高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環境。為了滿足未來電子器件需求，必須採用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內在性能。近年來，新發展起來了第三代半導體材料-- 寬禁帶半導體材料，該類材料具有熱導率高、電子飽和速度高、擊穿電壓高、介電常數低等特點，這就從理論上保證了其較寬的適用範圍。目前，由其製作的器件工作溫度可達到600 ℃以上、抗輻照1×106 rad；小柵寬GaN HEMT 器件分別在4 GHz 下，功率密度達到40 W/mm；在8 GHz，功率密度達到30 W/mm；在18 GHz，功率密度達到9.1 W/mm；在40 GHz，功率密度達到10.5 W/mm；在80.5 GHz，功率密度達到2.1 W/mm，等。因此，寬禁帶半導體技術已成為當今電子產業發展的新型動力。
從目前寬禁帶半導體材料和器件的研究情況來看，研究重點多集中於碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)技術，其中SiC 技術最為成熟，研究進展也較快；而GaN 技術應用廣泛，尤其在光電器件應用方面研究比較深入。氮化鋁、金剛石、氧化鋅等寬禁帶半導體技術研究報道較少，但從其材料優越性來看，頗具發展潛力，相信隨著研究的不斷深入，其應用前景將十分廣闊。
碳化硅材料
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：3.2 eV)、高擊穿電場(4×106 V/cm)、高熱導率(4.9 W/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，碳原子佔其四面體空位；又可看成碳原子密排，硅佔碳的四面體空位。對於碳化硅密排結構，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 特別適用於微電子領域，用於製備高頻、高溫、大功率器件；6H-SiC 特別適用於光電子領域，實現全綵顯示。
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、Dow Dcorning 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 公司的市場佔有率超過85%。在所有的碳化硅製備廠商中以美國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裡Cree 公司還將在碳化硅襯底市場上獨佔鰲頭。美國Cree 公司1993 年開始有6H 碳化硅拋光片商品出售，過去的十幾年裡不斷有新品種加入，晶型由6H 擴展到4H；電阻率由低阻到半絕緣；尺寸由2寸到6寸，150 mm(6英寸)拋光片已投入市場。
氮化鎵材料
GaN 材料是1928 年由Jonason 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，常溫下不溶於水、酸和鹼，而在熱的鹼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(3.39 eV)、高擊穿電壓(3×106 V/cm)、高電子遷移率(室溫1 000 cm2/V·s)、高異質結面電荷密度(1×1013 cm-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，相對於硅、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 範圍的高頻波段應用，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：憑藉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；憑藉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製造領域最為感興趣和關注的。
GaN 功率器件的製作工藝與GaAs 工藝相似度高，甚至很多設備都是同時支持兩種材料的工藝，因此，很多GaAs 器件廠商逐漸增加GaN 器件業務。目前，整個GaN 功率半導體產業處於起步階段，各國政策都在大力推進該產業的發展。國際半導體大廠也紛紛將目光投向GaN 功率半導體領域，關於GaN 器件廠商的收購、合作不斷髮生。
半導體材料發展趨勢
第一代、第二代半導體材料和器件在發展過程中已經遇到或將要遇到以下重大挑戰和需求：
(1) 突破功率器件工作溫度極限，實現不冷卻可工作在300 ℃～600 ℃高溫電子系統。
(2) 必須突破硅功率器件的極限，提高功率和效率，從而提高武器裝備功率電子系統的性能。
(3) 必須突破GaAs 功率器件的極限，在微波頻段實現高功率密度，實現固態微波通訊系統、雷達、電子對抗裝備更新換代。
(4) 必須拓寬發光光譜，實現全綵顯示、新的光存儲、紫外探測以及固態照明。
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，其製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，實現全綵顯示。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。
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