作者：王军喜 刘喆 魏同波，等
来源：《新材料产业》 2014年第3期
文/ 王军喜 刘喆 魏同波 王国宏 中国科学院半导体研究所
一、第3代半导体材料概述
第3代半导体材料是继第1代半导体材料和第2代半导体材料之后，近20年刚刚发展起来的新型宽禁带半导体材料。第3代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)和氮化铝（AlN）等宽禁带化合物半导体为代表，其具有高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及高抗辐射能力等特点，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，在光电子领域和微电子领域相比前2代半导体更具优势。 第1代半导体材料以硅(Si)和锗(Ge)等元素半导体为代表，其典型应用是集成电路，主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中，在未来一段时间，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，如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率。且其带隙宽度较窄（1.12eV），饱和电子迁移率较低（1450cm2/V·s）,不耐高温、高频和高辐射。
第2代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍，具有直接带隙，故其器件相对硅器件具有高频、高速的光电性能，认为是新一代的通信用材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。然而，其禁带宽度范围只涵盖了1.35eV（InP）～2.45eV（AlP），只能覆盖波长506～918nm的红光和更长波长的光，而无法满足中短波长光电器件的需要。由于第2代半导体材料的禁带宽度不够大，击穿强度较低，极大地限制了其在高温、高频率、高功率器件中的应用。另外由于GaAs材料的毒性，第2代半导体的应用可能引起环境污染问题，对人类健康产生潜在的威胁。
第3代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)和氮化铝（AlN）等宽禁带化合物半导体材料为代表。首先，在电学性能上，宽禁带半导体材料具有击穿电压高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等特性，故能实现更高的输出功率，如功率密度可达到GaAs的10倍，最高工作电压达到30～100V甚至更大，可有效提高系统效率，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。另外，在光学性能上，以氮化物体系为例，其光学禁带宽度可由0.77eV（InN）到6.28eV（AlN）连续变化，做到从红外光到紫外光波段的完整覆盖。因而以第3代半导体为基础的光电器件理论上可以做到198～1610nm的光谱覆盖。其典型应用是短波长激光器、白光LED和微波功率器件。在光电子领域和微电子领域，相比前2代半导体更具优势，广泛应用于半导体照明、电力电子及航空航天等领域。
第3代半导体具有优良的物理特性，并且其科研和工业生产水平正在飞速进步。但是问题也是显而易见的。由于材料制备难度较高，获得高质量的单晶结构非常困难。并且由于III族氮化物的纤锌矿结构，其材料内部存在着强大的自发极化及压电极化场。由于III族氮化物多有较大的光折射率，产生的光在界面处易发生全反射，难以反射到空气中。镁（Mg）掺杂的p型GaN的功函数高达6.5eV，如何选择电极材料以制备优质的欧姆接触电极同样是一个难点。这些因素都加大了制备高效光电器件的难度。
正因为材料性质上的巨大优势和应用上的复杂问题，第3代半导体材料的性能以及器件制作有着巨大的研究价值。因而后续的研究对材料性质的深入研究、器件性能的改造及优化、器件老化机制的研究以及改进、器件应用的拓展，都是需要深入研究的领域，具有巨大的研究价值以及重要的现实意义。
二、第3代半导体材料国内外技术现状与发展趋势
20世纪80年代中后期，日本学者在GaN材料制备方面的突破性进展，以及美国国防部先进研究项目局（Defense AdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）资助科锐（Cree）公司开展SiC材料研究，标志着发达国家拉开了重点攻关第3代半导体材料及器件的序幕。21世纪初，美国、日本和欧洲部分国家启动了第3代半导体技术的国家级发展计划，从而进一步巩固了其在国际上的领先地位。
橡胶闸阀
面对节能减排，当前信息社会走进大数据时代，以及移动信息时代的迫切需求，第3代半导体材料及器件迎来了良好的发展机遇。第3代半导体材料及器件可广泛应用于照明、电力电子、高效光伏、电动混合汽车,高速列车等节能减排领域。第3代半导体材料也是后4G移动通信、微波通信、高速计算、微传感器、智慧城市、物联网、云计算等新一代信息技术的核心竞争力。特别是在航空航天、空间通讯、紫外探测、遥感等国防领域的重要应用领域（国外对我国一直进行限制和禁运），对国家的信息安全和国防建设具有深远意义。
随着科学技术发展的高度交叉融合，微电子和光电子领域携手并进的时代即将到来。从技术战略与产业战略的角度，大力发展第3代半导体技术正在成为抢占下一代信息技术制高点的最佳途径。其研究与应用水平，是确定未来我国在世界高科技产业中地位的关键因素之一。预计到2020年，第3代半导体材料在节能减排市场、信息工程市场和军工市场均将占据万亿元的市场规模。
三、第3代半导体在光电器件领域的应用
1.半导体照明
半导体照明技术及其产品正向着更高光效、更低成本、更可靠、更多元化领域和更广泛应用的方向发展。
新型衬底上外延高效率GaN-LED正是突破蓝宝石衬底外延瓶颈的发展趋势。SiC是除了蓝宝石之外，作为GaN外延衬底使用最多的材料。但是，眼下SiC衬底的市场主要被Cree公司垄断，导致其市场价格远高于蓝宝石，所以SiC衬底的应用还远没有蓝宝石那样广泛。
美国Cree公司依靠其掌握的SiC晶体制备和LED外延等关键技术，逐步实现了从SiC衬底到LED外延、芯片封装、灯具设计的完整照明器件产业链，垄断了整个SiC衬底LED照明产业。2013年，Cree公司报道的LED发光效率已经超过276lm/W。Cree的LED照明产业的年产值达到了12亿美元，市场规模增长迅速。由此可见，SiC衬底LED在照明产业中占据的市场规模不容小觑，表现出很强的市场竞争力和技术竞争力。
另外，采用自支撑GaN衬底制备LED可以最大程度地降低LED外延结构的晶格失配和热失配，实现真正的同质外延，可以大幅度降低由异质外延引起的位错密度。国际上相关报道较多的几个研究组是美国的通用公司（GE）、加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）、佐治亚理工学院（Georgia Tech）、西弗吉尼亚大学（West Virginia）大学、以及日本的住友（Sumitomo）电工、松下（Panasonic）和三菱（Mitsubishi）等。美国UCSB的研究人员在2012年报道自支撑GaN衬底上同质外延LED的发光效率已经超过160lm/W。并且在较高电流密度下，光输出依然没有饱和，且反向漏电流极低。在高注入电流条件下，GaN同质衬底外延技术表现出蓝宝石外延技术所没有的性能优势。
2.短波长激光器离合器摩擦片结构图
电动车太阳能充电器
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大功率、低成本的短波长激光器一直是激光技术研究的重点和难点，而III族氮化物材料体系的光谱特性决定其将在短波长固态激光器领域大显身手。
氮化物半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命长、易于调制等特点，有助于实现更高的亮度、更长的寿命和更丰富的彩。信息科技的发展迫切需要功率密度更高、发光波长更短的激光器。
由于绿光在水下的损耗较小，绿光半导体激光器可用于深海光无线通信，其具有抗干扰、保密性好的优点。蓝和紫外光激光器由于其波长短，能量高，能实现更大的存储密度（单张单层蓝光光盘的存储密度最少为25GB，是普通DVD光盘的5倍），在信息领域将对数据的光存储产生革命性的影响。活性炭采样管
近年来，绿光激光器的重点突破是基于GaN衬底的高In组分同质外延和二次外延技术，实现InGaN材料中In组分超过35%，激射波长达到510～530nm的绿光激光器。紫外光激光器的重要突破是AlN模板（低成本）与AlN衬底（高性能）互补结合，实现高质量、高Al组分AlGaN材料的外延制备技术，实现发光波长280～300nm，室温光泵浦发光的紫外激光器。
3.光伏电池
第3代半导体在新能源领域同样具有重要应用前景。GaN材料体系中的InGaN（铟镓氮）太阳能电
陶瓷过滤器池的光学带隙可连续调节，特别适合于制作多结叠层太阳能光伏电池，实现全太阳可见光谱能量的吸收利用，提高光伏电池的转换效率。其理论转换效率可达70%，远远超过其他材料体系。同时，InGaN的抗辐射能力远强于目前常用的Si、GaAs等太阳能电池材料，更适合应用于存在强辐射的外太空环境中，如为外太空航天器提供动力的太阳帆，因此InGaN太阳能电池在航空航天等领域也有广泛应用。
4.其他
第3代半导体材料在光显示、光存储、光照明等领域的广泛应用，已经预示着光电信息时代乃至光子信息时代的来临。因此，以GaN为代表的第3代半导体材料被誉为IT产业发展的新引擎。除此之外，第3代半导体材料在其他特殊技术领域也有着一定的应用前景。
基于GaN基可见光LED的可见光通信技术可用于航空、医院、汽车工业、交通信息管理、办公室互联网接入、数字家庭、仓储管理和军事敏感区域的无线数据通信。可见光通信技术的优点包括无需频谱认证、保密性好（可见光沿直线传播，遮挡住光线就不会被窃听）、无电磁辐射、信息容量大（利用LED照明无处不在的优势）等。光学无线智能家居集成系统是可见光通信技术的典型应用之一，克服了基于无线射频和电力载波通信技术的家居系统的缺点，在电器终端接入方式方面具有划时代的意义，实现节能减排与绿健康生活的有机结合。
基于氮化物材料的光探测器具有驱动消耗低，输出能量大的特点，可在很大程度上提高探测器的准确性及隐蔽性，所以可以应用于军事领域。尤其是基于高Al组分AlGaN材料的太阳盲区深紫外探测器，其利用太阳光谱中280nm以下波段紫外光由于被大气臭氧层强烈吸收而无法到达地面，从而使得探测的深紫外光信噪比高的原理，可广泛应用于空载、舰载或地面探测预警系统，特别是可探测来自6000km高度内的导弹尾焰，误报率极低。
