半導(dǎo)體材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王 旭

上海先著點(diǎn)光電科技有限公司，上海 215004

0 引言

半導(dǎo)體材料具有非常特殊的物理和化學(xué)屬性，在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和科技發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了現(xiàn)代科技尤其是電子技術(shù)的飛速發(fā)展。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，半導(dǎo)體材料在全球得到了廣泛的應(yīng)用，并隨著能源技術(shù)的變革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整而不斷地變化和發(fā)展，近年來(lái)更是向著高性能、低功耗的目標(biāo)發(fā)展[1]。我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)后，對(duì)半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與發(fā)展提出了更高的要求，也為半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新突破帶來(lái)了新的契機(jī)。

1 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程與同期的科學(xué)技術(shù)及工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有著密切的關(guān)聯(lián)。第一代半導(dǎo)體材料主要為硅、鍺等元素材料，其構(gòu)建的晶體管取代了笨重的電子管，促進(jìn)了集成電路的快速發(fā)展，重點(diǎn)應(yīng)用于低壓、低頻、中功率的晶體管及光電探測(cè)器等器件。第二代半導(dǎo)體材料興起于20世紀(jì)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(yīng)用于微波、毫米波、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域，促進(jìn)了現(xiàn)代移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、光通信等技術(shù)的快速發(fā)展。但該類材料不僅資源稀缺，而且具有較強(qiáng)的毒性，容易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅和氮化鎵為代表，相比于第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料不僅具有更加優(yōu)秀的電子遷移率，而且具備耐壓高、抗輻射、熱導(dǎo)率大等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、軌道交通、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[2]。

半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)和應(yīng)用極大地提升了社會(huì)的生產(chǎn)力，使機(jī)械自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)信息化、遠(yuǎn)程控制、人工智能等新技術(shù)逐漸由理論變成了現(xiàn)實(shí)。從半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程可以看出，其研發(fā)與時(shí)代的科技和工業(yè)的發(fā)展步伐非常吻合，先后推動(dòng)了集成化技術(shù)、傳感技術(shù)、智能技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的革新，使科技研究、工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活都逐漸向自動(dòng)化、信息化、智能化方向發(fā)展，極大地提高了人類的生產(chǎn)和生活水平。隨著大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和快速應(yīng)用，數(shù)字經(jīng)濟(jì)已成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而“雙碳”目標(biāo)的提出更是為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的低碳轉(zhuǎn)型提出了重大挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展可謂責(zé)任重大、任務(wù)艱巨。

2 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用和研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

2.1.1 光伏領(lǐng)域

在以太陽(yáng)能發(fā)電為主的光伏領(lǐng)域，以晶體硅為代表的半導(dǎo)體材料是太陽(yáng)能電池的核心組成部分，光電轉(zhuǎn)化率極高。特別是隨著綠色發(fā)展理念的不斷深入，以及全球能源革命的不斷推進(jìn)，太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源的市場(chǎng)前景十分廣闊，半導(dǎo)體材料得到了充分的應(yīng)用。在我國(guó)，太陽(yáng)能電池已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于城郊和農(nóng)村發(fā)電、道路照明供電等方面，為我國(guó)的城鄉(xiāng)發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)作出了巨大的貢獻(xiàn)。半導(dǎo)體材料的質(zhì)量和成本在很大程度上決定了太陽(yáng)能電池的運(yùn)行效率和運(yùn)用范圍，而晶體硅無(wú)疑是目前性價(jià)比最優(yōu)的半導(dǎo)體材料。

2.1.2 照明領(lǐng)域

隨著現(xiàn)代照明技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)于節(jié)能、降耗的要求的不斷提高，LED照明技術(shù)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈照明成為當(dāng)前照明市場(chǎng)的主流技術(shù)。LED技術(shù)的核心部件是半導(dǎo)體晶體管上的發(fā)光二極管，其具有光源體積小、效率高、能耗低、發(fā)熱少、反應(yīng)快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，并且比傳統(tǒng)燈源更加環(huán)保，因此被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。除了室內(nèi)照明，LED照明還被應(yīng)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外，由于半導(dǎo)體材料體積小、質(zhì)量輕、照明效果極好，目前已經(jīng)被用作手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品的背光源。

2.1.3 電源領(lǐng)域

在電器設(shè)備中，交流電和直流電的轉(zhuǎn)換對(duì)于電器設(shè)備的使用功能有著重要的影響，可以為電器提供及時(shí)的保護(hù)，避免電器在使用過(guò)程中或在突發(fā)情況下出現(xiàn)故障甚至毀損。電源轉(zhuǎn)換裝置的核心部分需要使用半導(dǎo)體器件。從材料屬性來(lái)看，硅的化學(xué)屬性較其他元素材料更加適用于功率轉(zhuǎn)換，可以對(duì)電器的電源轉(zhuǎn)換起到較好的保護(hù)作用。隨著新半導(dǎo)體材料，特別是碳化硅材料的出現(xiàn)，能夠適應(yīng)高溫、高頻、高壓等環(huán)境的半導(dǎo)體材料已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)硅材料，成為電源領(lǐng)域的常用半導(dǎo)體材料。

2.2 第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

2.2.1 第三代半導(dǎo)體材料的規(guī)模化應(yīng)用

在20世紀(jì)90年代，隨著高頻、高溫、高功率、高能效等社會(huì)發(fā)展新要求的日益嚴(yán)苛，第一代的硅功率器件到了技術(shù)瓶頸期，第一代半導(dǎo)體材料的功能已達(dá)到極限，無(wú)法滿足現(xiàn)代科技的客觀需求，而第二代半導(dǎo)體材料又與全球的環(huán)境保護(hù)和綠色發(fā)展的潮流相悖，這促成了第三代半導(dǎo)體材料的快速崛起。從半導(dǎo)體材料的規(guī)?；瘧?yīng)用情況看，LED半導(dǎo)體照明是以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料的首個(gè)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(wèn)題，不僅降低了照明設(shè)備的缺陷率，而且擁有更高的電光轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了更多出光、更少散熱的照明改革目標(biāo)。

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

2.2.2 第三代半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)化應(yīng)用

作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，碳化硅和氮化鎵自發(fā)現(xiàn)時(shí)起，經(jīng)歷了一百多年的研究和應(yīng)用，得到了全面的市場(chǎng)化應(yīng)用，被廣泛用于軌道交通、LED照明等領(lǐng)域，擁有極其廣闊的市場(chǎng)前景。長(zhǎng)期以來(lái)，受到材料成本的影響，第一代半導(dǎo)體材料（硅材料）牢牢占據(jù)著市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，第二代半導(dǎo)體材料的高污染問(wèn)題和第三代半導(dǎo)體材料的高成本缺陷一直是這些材料未能快速占據(jù)市場(chǎng)的重要原因。隨著近些年半導(dǎo)體材料科技的不斷發(fā)展，碳化硅和氮化鎵的成本已經(jīng)越來(lái)越接近硅元件的成本，目前在工業(yè)領(lǐng)域和新能源領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了硅，已經(jīng)占據(jù)了功率半導(dǎo)體材料的主要市場(chǎng)；在汽車領(lǐng)域，碳化硅和氮化鎵的成本尚未對(duì)傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料造成沖擊，但取代后者的市場(chǎng)地位也是指日可待。目前，碳化硅和氮化鎵已經(jīng)被普遍視為傳統(tǒng)硅的替代半導(dǎo)體材料，并且以其高性能、低污染的優(yōu)勢(shì)得到政府、組織、企業(yè)的普遍青睞。

2.3 半導(dǎo)體材料的研發(fā)現(xiàn)狀

自半導(dǎo)體材料出現(xiàn)以來(lái)，其始終向著低缺陷甚至無(wú)缺陷的方向發(fā)展，這也是廣大半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)的努力方向。其中，增加碳化硅晶體的直徑，是半導(dǎo)體材料商業(yè)化拓展的主要目標(biāo)。因此，碳化硅、氮化鎵技術(shù)的研究，需要從晶體生長(zhǎng)和加工兩個(gè)方面著手，不斷推動(dòng)半導(dǎo)體材料功能的增強(qiáng)和延伸。以碳化硅為例，其主要制備方法有物理氣相輸運(yùn)法、籽晶升華法。由于碳化硅本身具有極強(qiáng)的硬度，因而主要采取金剛石磨料為基礎(chǔ)的加工設(shè)備，對(duì)碳化硅材料進(jìn)行切割和磨削。通過(guò)嚴(yán)格管控設(shè)備、壓力、溫度等外部環(huán)境，可以提升單晶的質(zhì)量，并有效降低單晶的成本，從而贏得更多的市場(chǎng)份額[4]。

3 “雙碳”背景下半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 半導(dǎo)體材料發(fā)展的前端領(lǐng)域

3.1.1 智能電網(wǎng)領(lǐng)域

在智能電網(wǎng)建設(shè)中，高壓直流、柔性直流、靈活交流以及斷路、變壓等場(chǎng)景都離不開(kāi)半導(dǎo)體材料的應(yīng)用。相比于其他電力設(shè)施，智能電網(wǎng)中的電力系統(tǒng)對(duì)于電壓和功率容量有著更高的要求，電力輸送的穩(wěn)定性和可靠性更是關(guān)乎廣大人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。碳化硅器件很好地解決了傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料無(wú)法解決的難題，突破了高壓、高溫、高功率等環(huán)境下的技術(shù)瓶頸，并且具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高效低耗等不可替代的優(yōu)勢(shì)，因而將逐漸取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，成為智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的中堅(jiān)力量。

3.1.2 新能源汽車領(lǐng)域

在電動(dòng)汽車系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、車載充電等系統(tǒng)都涉及功率半導(dǎo)體材料的應(yīng)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(dòng)汽車的總體性能。隨著碳化硅器件成本的逐漸降低，電動(dòng)汽車器件中的半導(dǎo)體材料的應(yīng)用也越來(lái)越多，其應(yīng)用逐漸延伸到電動(dòng)汽車充電樁的功率器件領(lǐng)域。

3.1.3 IT產(chǎn)品領(lǐng)域

半導(dǎo)體材料在以電子產(chǎn)品為代表的IT領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在促進(jìn)智能手機(jī)向更輕、更薄、更小、功能更強(qiáng)大等方向發(fā)展的方面，半導(dǎo)體材料發(fā)揮了不可替代的作用。隨著人們對(duì)IT產(chǎn)品的功能化、便捷化要求的不斷提升，柔性顯示屏已經(jīng)成為當(dāng)前智能手機(jī)領(lǐng)域的新寵，同時(shí)也對(duì)液晶顯示屏的材質(zhì)提出了更加嚴(yán)苛的要求。低維納米半導(dǎo)體材料以其較強(qiáng)的柔韌性和耐受性，為電子芯片和柔性顯示屏技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新契機(jī)，在推動(dòng)電子產(chǎn)品向輕、薄、柔方向發(fā)展的同時(shí)，切實(shí)保障了電子產(chǎn)品的性能和使用壽命[5]。

3.1.4 照明領(lǐng)域

照明領(lǐng)域是第三代半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的第一個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體材料科技的深入發(fā)展，在石墨烯上培養(yǎng)高質(zhì)量氮化物從而推動(dòng)高效率深紫外LED等新型光源的發(fā)展成為該領(lǐng)域半導(dǎo)體材料發(fā)展的新趨勢(shì)和新方向。研究表明，基于石墨烯的半導(dǎo)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(kāi)啟電壓，并且具有易于滑動(dòng)的特殊屬性，從而為薄膜LED新器件的研發(fā)與生產(chǎn)提供了新思路，為現(xiàn)代照明技術(shù)的改革提供了技術(shù)支持。

3.2 新型半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)

除了適用領(lǐng)域的拓展和延伸，半導(dǎo)體材料的應(yīng)用還體現(xiàn)在技術(shù)的進(jìn)一步革新和升級(jí)換代方面。據(jù)了解，以氧化銦鎵鋅為代表的第四代半導(dǎo)體材料目前在技術(shù)研發(fā)方面已經(jīng)取得了重大突破。與第三代半導(dǎo)體材料相比，氧化銦鎵鋅的電子遷移率得到了進(jìn)一步的提高，可以在更加細(xì)窄的通道環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳遞。此外，新型半導(dǎo)體材料的能耗更低、亮度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)，在照明、新能源、通信等領(lǐng)域?qū)⒂懈訌V闊的市場(chǎng)前景。從研究情況看，氧化銦鎵鋅還有非常高的分辨率，其構(gòu)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(lái)電視的發(fā)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(lái)半導(dǎo)體材料研發(fā)與應(yīng)用的增長(zhǎng)點(diǎn)。美國(guó)的Akhan半導(dǎo)體公司提出了“終極半導(dǎo)體”的概念，運(yùn)用CMOS金剛石半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)出的二極管的厚度比硅要薄百倍，而相關(guān)性能參數(shù)卻比硅高出了百萬(wàn)倍。在2021年8月，該公司更是研發(fā)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(yè)界的高度關(guān)注，被視為航天、通信、國(guó)防及電子科技芯片技術(shù)的未來(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)和研究推動(dòng)了世界工業(yè)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速進(jìn)步，為傳統(tǒng)設(shè)備的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了重要的契機(jī)。經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)出現(xiàn)了不少較為成熟的技術(shù)，并且在大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、智能化等新興產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)也得到了相關(guān)保護(hù)組織和消費(fèi)者的充分認(rèn)可。因此，我國(guó)相關(guān)單位和企業(yè)要重視半導(dǎo)體材料的研發(fā)，科學(xué)精準(zhǔn)地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，并在政府和行業(yè)組織的統(tǒng)籌謀劃下高瞻遠(yuǎn)矚地確定戰(zhàn)略定位，使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)高科技發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國(guó)的科技建設(shè)與發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。