半導體材料的應用現狀及發展趨勢

王 旭

上海先著點光電科技有限公司，上海 215004

0 引言

半導體材料具有非常特殊的物理和化學屬性，在現代社會生產和科技發展中發揮了重要作用，促進了現代科技尤其是電子技術的飛速發展。自20世紀50年代以來，半導體材料在全球得到了廣泛的應用，并隨著能源技術的變革和產業結構的調整而不斷地變化和發展，近年來更是向著高性能、低功耗的目標發展[1]。我國提出了“雙碳”目標后，對半導體材料的應用與發展提出了更高的要求，也為半導體行業的創新突破帶來了新的契機。

1 半導體材料的發展歷程

半導體材料的發展歷程與同期的科學技術及工業生產的發展有著密切的關聯。第一代半導體材料主要為硅、鍺等元素材料，其構建的晶體管取代了笨重的電子管，促進了集成電路的快速發展，重點應用于低壓、低頻、中功率的晶體管及光電探測器等器件。第二代半導體材料興起于20世紀70年代，主要為砷化鎵、磷化銦等材料，其擁有良好的電子遷移率、帶隙等特性，被廣泛應用于微波、毫米波、通信、導航等領域，促進了現代移動通信、衛星通信、光通信等技術的快速發展。但該類材料不僅資源稀缺，而且具有較強的毒性，容易對生態環境造成嚴重的污染。第三代半導體材料以碳化硅和氮化鎵為代表，相比于第二代半導體材料，第三代半導體材料不僅具有更加優秀的電子遷移率，而且具備耐壓高、抗輻射、熱導率大等優勢，被廣泛應用于智能電網、軌道交通、電動汽車等領域[2]。

半導體材料的出現和應用極大地提升了社會的生產力，使機械自動化、網絡信息化、遠程控制、人工智能等新技術逐漸由理論變成了現實。從半導體材料的發展歷程可以看出，其研發與時代的科技和工業的發展步伐非常吻合，先后推動了集成化技術、傳感技術、智能技術等現代技術的革新，使科技研究、工業生產乃至家庭生活都逐漸向自動化、信息化、智能化方向發展，極大地提高了人類的生產和生活水平。隨著大數據、區塊鏈、人工智能等現代技術的創新發展和快速應用，數字經濟已成為社會發展的必然趨勢，而“雙碳”目標的提出更是為產業結構的低碳轉型提出了重大挑戰，半導體行業的發展可謂責任重大、任務艱巨。

2 半導體材料的應用和研發現狀

2.1 傳統半導體材料的應用

2.1.1 光伏領域

在以太陽能發電為主的光伏領域，以晶體硅為代表的半導體材料是太陽能電池的核心組成部分，光電轉化率極高。特別是隨著綠色發展理念的不斷深入，以及全球能源革命的不斷推進，太陽能、風能等清潔能源的市場前景十分廣闊，半導體材料得到了充分的應用。在我國，太陽能電池已經被廣泛運用于城郊和農村發電、道路照明供電等方面，為我國的城鄉發展和新農村建設作出了巨大的貢獻。半導體材料的質量和成本在很大程度上決定了太陽能電池的運行效率和運用范圍，而晶體硅無疑是目前性價比最優的半導體材料。

2.1.2 照明領域

隨著現代照明技術的不斷發展，以及人們對于節能、降耗的要求的不斷提高，LED照明技術已經逐漸取代傳統的白熾燈照明成為當前照明市場的主流技術。LED技術的核心部件是半導體晶體管上的發光二極管，其具有光源體積小、效率高、能耗低、發熱少、反應快、壽命長等優勢，并且比傳統燈源更加環保，因此被廣泛應用于各行各業。除了室內照明，LED照明還被應用于交通指示燈、城市美化光源等方面，在電力消耗、燈光效果等方面具備獨特優勢。此外，由于半導體材料體積小、質量輕、照明效果極好，目前已經被用作手機、平板電腦等電子產品的背光源。

2.1.3 電源領域

在電器設備中，交流電和直流電的轉換對于電器設備的使用功能有著重要的影響，可以為電器提供及時的保護，避免電器在使用過程中或在突發情況下出現故障甚至毀損。電源轉換裝置的核心部分需要使用半導體器件。從材料屬性來看，硅的化學屬性較其他元素材料更加適用于功率轉換，可以對電器的電源轉換起到較好的保護作用。隨著新半導體材料，特別是碳化硅材料的出現，能夠適應高溫、高頻、高壓等環境的半導體材料已經逐漸取代傳統硅材料，成為電源領域的常用半導體材料。

2.2 第三代半導體材料的應用

2.2.1 第三代半導體材料的規模化應用

在20世紀90年代，隨著高頻、高溫、高功率、高能效等社會發展新要求的日益嚴苛，第一代的硅功率器件到了技術瓶頸期，第一代半導體材料的功能已達到極限，無法滿足現代科技的客觀需求，而第二代半導體材料又與全球的環境保護和綠色發展的潮流相悖，這促成了第三代半導體材料的快速崛起。從半導體材料的規模化應用情況看，LED半導體照明是以碳化硅為代表的第三代半導體材料的首個突破口，有效解決了襯底材料與氮化鎵的晶格匹配度之間的主要問題，不僅降低了照明設備的缺陷率，而且擁有更高的電光轉換效率，實現了更多出光、更少散熱的照明改革目標。

在LED照明之后，第三代半導體材料逐漸被應用于各類半導體器件，主要包括功率器件和微波器件。例如，在供電系統領域，硅二極管等半導體材料被用于功率元件，為電力系統的功率調節提供重要保障。由于半導體材料的工作頻率非常高，并且可以在極端惡劣的環境條件下保持良好的應用功效，因而被廣泛應用于微波、高頻及短波長領域，目前已經得到了較為成熟的應用[3]。雷達、通信等領域，特別是軍用領域也逐漸成為世界各國探索第三代半導體適用的新領域。

2.2.2 第三代半導體材料的市場化應用

作為第三代半導體材料的代表，碳化硅和氮化鎵自發現時起，經歷了一百多年的研究和應用，得到了全面的市場化應用，被廣泛用于軌道交通、LED照明等領域，擁有極其廣闊的市場前景。長期以來，受到材料成本的影響，第一代半導體材料（硅材料）牢牢占據著市場的主導地位，第二代半導體材料的高污染問題和第三代半導體材料的高成本缺陷一直是這些材料未能快速占據市場的重要原因。隨著近些年半導體材料科技的不斷發展，碳化硅和氮化鎵的成本已經越來越接近硅元件的成本，目前在工業領域和新能源領域已經完全取代了硅，已經占據了功率半導體材料的主要市場；在汽車領域，碳化硅和氮化鎵的成本尚未對傳統的硅半導體材料造成沖擊，但取代后者的市場地位也是指日可待。目前，碳化硅和氮化鎵已經被普遍視為傳統硅的替代半導體材料，并且以其高性能、低污染的優勢得到政府、組織、企業的普遍青睞。

2.3 半導體材料的研發現狀

自半導體材料出現以來，其始終向著低缺陷甚至無缺陷的方向發展，這也是廣大半導體研發企業的努力方向。其中，增加碳化硅晶體的直徑，是半導體材料商業化拓展的主要目標。因此，碳化硅、氮化鎵技術的研究，需要從晶體生長和加工兩個方面著手，不斷推動半導體材料功能的增強和延伸。以碳化硅為例，其主要制備方法有物理氣相輸運法、籽晶升華法。由于碳化硅本身具有極強的硬度，因而主要采取金剛石磨料為基礎的加工設備，對碳化硅材料進行切割和磨削。通過嚴格管控設備、壓力、溫度等外部環境，可以提升單晶的質量，并有效降低單晶的成本，從而贏得更多的市場份額[4]。

3 “雙碳”背景下半導體材料的發展趨勢

3.1 半導體材料發展的前端領域

3.1.1 智能電網領域

在智能電網建設中，高壓直流、柔性直流、靈活交流以及斷路、變壓等場景都離不開半導體材料的應用。相比于其他電力設施，智能電網中的電力系統對于電壓和功率容量有著更高的要求，電力輸送的穩定性和可靠性更是關乎廣大人民群眾的生命和財產安全。碳化硅器件很好地解決了傳統硅半導體材料無法解決的難題，突破了高壓、高溫、高功率等環境下的技術瓶頸，并且具有高可靠性、高穩定性、高效低耗等不可替代的優勢，因而將逐漸取代傳統的半導體材料，成為智能電網建設和發展的中堅力量。

3.1.2 新能源汽車領域

在電動汽車系統中，電機驅動、車載充電等系統都涉及功率半導體材料的應用，特別是在逆變器方面，在相同功率下，碳化硅模塊的封裝能耗更低、尺寸更小，極大地提高了電動汽車的總體性能。隨著碳化硅器件成本的逐漸降低，電動汽車器件中的半導體材料的應用也越來越多，其應用逐漸延伸到電動汽車充電樁的功率器件領域。

3.1.3 IT產品領域

半導體材料在以電子產品為代表的IT領域已得到了廣泛的應用，尤其是在促進智能手機向更輕、更薄、更小、功能更強大等方向發展的方面，半導體材料發揮了不可替代的作用。隨著人們對IT產品的功能化、便捷化要求的不斷提升，柔性顯示屏已經成為當前智能手機領域的新寵，同時也對液晶顯示屏的材質提出了更加嚴苛的要求。低維納米半導體材料以其較強的柔韌性和耐受性，為電子芯片和柔性顯示屏技術的發展帶來了新契機，在推動電子產品向輕、薄、柔方向發展的同時，切實保障了電子產品的性能和使用壽命[5]。

3.1.4 照明領域

照明領域是第三代半導體材料實現規模化應用的第一個產業領域。隨著半導體材料科技的深入發展，在石墨烯上培養高質量氮化物從而推動高效率深紫外LED等新型光源的發展成為該領域半導體材料發展的新趨勢和新方向。研究表明，基于石墨烯的半導體材料器件與碳化硅、氮化鎵相比，具備更低的電流及更高的開啟電壓，并且具有易于滑動的特殊屬性，從而為薄膜LED新器件的研發與生產提供了新思路，為現代照明技術的改革提供了技術支持。

3.2 新型半導體材料的發展趨勢

除了適用領域的拓展和延伸，半導體材料的應用還體現在技術的進一步革新和升級換代方面。據了解，以氧化銦鎵鋅為代表的第四代半導體材料目前在技術研發方面已經取得了重大突破。與第三代半導體材料相比，氧化銦鎵鋅的電子遷移率得到了進一步的提高，可以在更加細窄的通道環境下進行數據和信息的傳遞。此外，新型半導體材料的能耗更低、亮度更高、穩定性更強，在照明、新能源、通信等領域將有更加廣闊的市場前景。從研究情況看，氧化銦鎵鋅還有非常高的分辨率，其構筑的高性能薄膜晶體管不僅面積更小、效率更高，而且顯示面板的分辨率也得到了巨大的突破，大屏幕OLED電視將成為未來電視的發展新方向。

除了氧化銦鎵鋅，硬度高于碳化硅的金剛石也逐漸成為未來半導體材料研發與應用的增長點。美國的Akhan半導體公司提出了“終極半導體”的概念，運用CMOS金剛石半導體工藝生產出的二極管的厚度比硅要薄百倍，而相關性能參數卻比硅高出了百萬倍。在2021年8月，該公司更是研發出了300 mm的金剛石襯底，其以超低的阻值和超高的性能得到了業界的高度關注，被視為航天、通信、國防及電子科技芯片技術的未來。

4 結束語

半導體材料的發現和研究推動了世界工業和產業技術的快速進步，為傳統設備的轉型升級提供了重要的契機。經過近百年的發展，第三代半導體材料已經出現了不少較為成熟的技術，并且在大數據、互聯網、智能化等新興產業中發揮重要作用，其節能環保的優點也得到了相關保護組織和消費者的充分認可。因此，我國相關單位和企業要重視半導體材料的研發，科學精準地進行產業布局，并在政府和行業組織的統籌謀劃下高瞻遠矚地確定戰略定位，使半導體產業成為我國高科技發展的支柱產業，為我國的科技建設與發展作出更大的貢獻。