第三代半导体材料概述

第三代半导体材料概述弋江区微电子产业办公室2018年6月硅单晶1947年，第一个晶体管npn-锗晶体管1958年，第一块集成电路以硅和锗等为代表，奠定微电子产业基础硅半导体材料的主导地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频功率器件上的应用，如其间接带隙决定了它不能获得高的电光转换效率。第一代半导体2以砷化镓和磷化铟等化合物半导体为代表，奠定信息产业基础砷化镓能带图，直接带隙，禁带宽度1.424eV砷化镓和磷化铟为直接带隙化合物半导体，相对硅器件具有高频高速的光电性能，是新一代的通信用材料，如手机、光纤通讯、微波、毫米波器件。但其有毒，波长范围短（>500nm），覆盖光谱范围小，同时限制其更高频，抗更高辐射性能。第二代半导体3以氮化镓、碳化硅、氧化锌以及金刚石等宽禁带化合物半导体为代表，支撑战略性新兴产业基础。SiC和GaN等宽禁带半导体材料具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。第三代半导体在光电子领域和微电子领域相比前两代半导体更具优势。第三代半导体40.30.40.50.65.04.06.03.02.01.0Band-gapenergy(eV)AlN

GaN

InN0.30.40.20.50.60.81.51.0MgSZnSMgSeZnSeGaPAlAsGaAsInPInAsUVIRVisible

全组分可调:带隙：0.63~6.2eV

(InN)(AlN)覆盖红外到紫外波段唯一可覆盖红外到紫外波长范围的半导体体系以III-V族氮化物材料体系为例光电子器件第三代半导体5

半导体照明紫外探测可见光通信电力电子光伏新能源激光显示高密度光存储微波功率共性技术和工艺装备第三代半导体材料磁电子以GaN、SiC和ZnO为核心的第三代半导体在能源、信息、环境、农业、交通、国防等领域都显示了广泛的应用。6以硅、锗为代表奠定了微电子产业的基础以砷化镓、磷化铟为代表支撑了信息产业的发展第一代半导体（始于1950年代）第二代半导体（始于1970年代）第三代半导体（始于1990年代）氮化镓、碳化硅（>2eV）用于半导体照明、5G移动通信、相控阵雷达、高压智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子…第三代半导体材料发展

推动和支撑下一代产业变革微波射频器件频率功率1GHz10GHz100GHz10W100WGaAsInPSiCSiSiGeGaN相对于第一代和第二代半导体，第三代中的GaN和SiC的高温、高频、大功率、抗辐照等特性，使其在射频微波领域有广泛的应用8微波射频器件0.111010010000.5151050100频率（GHz）防空监视雷达商业通讯基站商业电信智能车辆道路系统智能车辆道路系统电子战相控阵MCMs超高频卫星通讯电子战干扰发射台EHF卫星通讯灵巧武器相控阵雷达特高频卫星通讯电子战干扰发射台灵巧武器直播卫星导弹发射机SiCGaN军口RF电子商业RF电子LMDS应用背景输出功率（W）9电力电子器件10碳化硅、氮化镓可以取代硅产品领域IT和消费品汽车业工业电源变压器家用电器和电脑不间断电源电动/混合动力车直流交流转换器直流直流转换器电力输运铁路运输光伏逆变器舰船运输风力涡轮<500W1-5kW30-350kW5-50kW5-100kW100kW-1MW>1MWCommercialinConfidence.KingwayCopyright©2011逆变器10耐高温、耐高压、开关速度快等特性，应用于智能电网、超高压运输变电等，有望解决和消除未来供电电网的突然断电等问题。2003年北美大停电，损失高达300亿美元。美国断电危机例如：断电危机——高性能固态开关的需求电力电子器件11太阳能电池分类全光谱（多结）InGaN太阳能电池以其高效和潜力受到了广泛关注晶体硅电池薄膜电池多晶硅电池单晶硅电池CdTeCIGS硅基薄膜InGaN体系GaAs体系实验室阶段潜力无限光伏新能源14InGaN太阳能电池结构带宽(eV)In组分效率%单层1.30.5630双层1.1,1.70.65,0.4150多层0.7-3.41-070GaN基全光谱太阳能电池通过调整InGaN材料的In组分，带隙可以覆盖从近红外到紫外的光谱范围，与太阳光谱几乎完美匹配。InGaN多结太阳能电池理论效率高达70%光伏新能源15其他应用领域-磁存储电荷自由度自旋自由度半导体自旋电子学调控半导体中电子自旋自由度，以自旋作为信息的载体逻辑运算、存储、通信三个功能集成在单个芯片上形成功能强大的CPU开发新一代低功耗、多功能、高性能、超高速半导体自旋电子器件构建固态量子比特第三代半导体自旋电子学器件——

一般电子学器件速度快3个数量级，功耗小3个数量级16半导体照明形成万亿产业电力电子形成千亿产业深紫外激光器国防-电子对抗深紫外探测器

智能照明光通信全光谱太阳能电池微波激射微电子领域光电子领域核心材料GaNSiCZnO金刚石第三代半导体形成规模化生产；占领显著的市场份额；部分达到国际领先功率器件取代Si