• 选择宽带隙半导体材料的主要理由是显而 易见的。氮化镓的热导率明显高于常规半 导体。这一属性在高功率放大器和激光器 中是很起作用的。带隙大小本身是热生率 的主要贡献者。在任意给定的温度下，宽 带隙材料的热生率比常规半导体的小10～ 14个数量级。这一特性在电荷耦合器件、 新型非易失性高速存储器中起很大的作用， 并能实质性地减小光探测器的暗电流。宽 带隙半导体材料的高介电强度最适合用于 高功率放大器、开关和二极管。

　　• 为重点项目，要求到2000年在武器系统中要广泛使用 SIC器件和集成电路，从此开始了有关SiC材料和器件的 系统研究，并取得了令人鼓舞的进展。即目前为止，直 径≥50mm具有良好性能的半绝缘和掺杂材料已经商品化。 美国政府与西屋西子公司合作，投资450万美元开了3英 寸纯度均匀、低缺陷的SiC单晶和外延材料。另外，制造 SiC器件的工艺如离子注入、氧化、欧姆接触和肖特基接 触以及反应离子刻蚀等工艺取得了重大进展，所以促成 了SiC器件和集成电路的快速发展。由于SiC器件的优势 和实际需求，它已经显示出良好的应用前景。航空、航 天、治炼以及深井勘探等许多领域中的电子系统需要工 作在高温环境中，这要求器件和电路能够适应这种需要， 而各类SiC器件都显示良好的温度性能。SiC具有较大的 禁带宽度，使得基于这种材料制成的器件和电路可以满 足在470K到970K条件下工作的需要，目前有些研究水平 已经达到970K的工作温度，并正在研究更高的工作温度 的器件和集成电路。目前SiC器件的研究概况见表7。 •

　　• 半导体材料是指电阻率在10-3~108Ωcm半导体，介 于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是 制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光 电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计 算机、信息家电与网络技术等电子信息产业 的发展。电子信息产业规模最大的是美国。 近几年来，中国电子信息产品以举世瞩目的 速度发展，2010年中国电子信息产业销售收 入7.8万亿元,同比增长29.5%.成为中国第一 大支柱产业。半导体材料及应用已成为衡量 一个国家经济发展、科技进步和国防实力的 重要标志。

　　• （1）国外发展概况 • 美国、日本、俄罗斯及西欧都极其重视宽禁带半 导体的研究与开发。从目前国外对宽禁带半导体材 料和器件的研究情况来看，主要研究目标是SiC和 GaN技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快； GaN技术应用面较广泛，尤其在光电器件应用方面 研究较为透彻。而金刚石技术研究报导较少，但从 其材料优越性来看，颇具发展潜力。 • 国外对SiC的研究早在五十年代末和六十年代初就 已开始了。到了八十年代中期，美国海军研究局和 国家宇航局与北卡罗来纳州大学签订了开发SiC材料 和器件的合同，并促成了在1987年建立专门研究SiC 半导体的Cree公司。九十年代初，美国国防部和能 源部都把SiC集成电路

　　• 化合物半导体是继第一代硅基半导体为核心的微电子后第 二代、第三代半导体，以其独特而优越的电子特性为人类 带来一次光电子产业革命。二十一世纪是光电子的世纪， 化合物半导体为核心的光电子产业已成为全球发达国家正 在追逐发展的二十一世纪新兴高科技产业，其对于国防战 略、能源战略、环保战略、信息产业、新型工业至关重要， 是提高综合国力的关键。以化合物半导体产业中的半导体 照明为例，LED是世界照明史上的一次新革命，传统照明 高耗材高耗能高污染，已经不适应当今世界照明发展的要 求。如果我国2015年在全国照明市场推广并将30%白炽灯 转为半导体照明，每年可以节省约800余亿度电，相当于 一个三峡工程的发电总量。按发电量和减排二氧化碳等计 算，每年并可节省7亿余吨电煤，相当于我国年耗电煤总 量的30%，可有效地节能减排促进环保。我国正在建设资 源节约型社会，故应该大力支持并推进化合物半导体产业 发展和在市场应用方面制订政策，迎头赶上全球半导体产 业蓬勃发展的新潮流。

　　• 1993年日本的日亚化学公司研制出第一支蓝光发光管， 1995年该公司首先将GaN蓝光LED商品化，到1997年某 市场份额已达1.43亿美元。据Strategies Unlimited的预测， GaN器件年增长率将高达44%，到2006年其市场份额将 达30亿美元。目前，日亚化学公司生产蓝光LED，峰值 波长450nm，输出光为3mw，发光亮度2cd(Ip=20mA)。 GaN绿光LED，峰值波长525nm，输出光功率为2mw，发 光亮度6cd(Ip=20mA)。此外，日亚化学公司利用其GaN 蓝光LED和磷光技术，又开发出白光固体发光器件产品， 不久将来可替代电灯，既提高灯的寿命，又大大地节省 能源。因此，GaN越来越受到人们的欢迎。GaN蓝光激 光器也被日亚公司首先开发成功，目前寿命已超过 10000hr。与此同时，GaN的电子器件发展也十分迅速。 目前GaNFET性能已达到ft=52GHz，fmax=82GHz。在18GHz 频率下，CW输出功率密度大于3W/mm。这是至今报导 K波段微波GaNFET的最高值。 •

　　宽带隙材料的相对介电常数比常规材料的要小，由于 对寄生参数影响小，这对毫米波放大器而言是有利 用价值的。电荷载流子输运特性是许多器件尤其是 工作频率为微波、毫米波放大器的一个重要特性。 宽带隙半导体材料的电子迁移率一般没有多数通用 半导体的高，其空穴迁移率一般较高，金刚石则很 高。宽带隙材料的高电场电子速度(饱和速度)一般 较常规半导体高得多，这就使得宽带隙材料成为毫 米波放大器的首选者。 • 氮化镓材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件 在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具 有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制 成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来 取得了很大进展，并开始进入市场。

　　• 半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及 非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅等。现行 多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷热分解 法。主要产品有棒状和粒状两种，主要是用作制备 单晶硅以及太阳能电池等。生长单晶硅的工艺可分 为区熔(FZ)和直拉(CZ)两种。其中，直拉硅单晶(CZ-Si) 广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶 (FZ-Si)目前主要用于大功率半导体器件，比如整流 二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅 和多晶硅应用最广。 • 经过多年的发展和竞争，国际硅材料行业出现了 垄断性企业，日本、德国和美国的六大硅片公司的 销量占硅片总销量的90%以上，其中信越、瓦克、 SUMCO和MEMC四家的销售额占世界硅片销售额的 70%以上，决定着国际硅材料的价格和高端技术产 品市场，其中以日本的硅材料产业最大，占据了国 际硅材料行业的半壁江山。

　　• 与制造技术非常成熟和制造成本相对较低 的硅半导体材料相比，第三代半导体材料 目前面临的最主要挑战是发展适合氮化镓 薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的氮 化镓体单晶生长工艺。 • 可以预见：以硅材料为主体、GaAs半导体 材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展 将成为集成电路及半导体器件产业发展的 主流。

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　　• 二、半导体材料发展现状 、 • • 1、半导体硅材料 • 从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型 的半导体材料不断出现，半导体硅材料以丰富的 资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的 用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最 多的半导体材料。硅是集成电路产业的基础，半 导体材料中98％是硅。半导体器件的95%以上是 用硅材料制作的，90%以上的大规模集成电路(LSI)、 超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI) 都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。 硅片被称作集成电路的核心材料，硅材料产业的 发展和集成电路的发展紧密相关。

　　• （2）中国国内研究状况 • 中国从上世纪60年代初开始研制砷化镓， 近年来，随着中科稼英半导体有限公司、 北京圣科佳电子有限公司相继成立，中国 的化合物半导体产业迈上新台阶，走向更 快的发展道路。中科镓英公司成功拉制出 中国第一根6.4公斤5英寸LEC法大直径砷化 镓单晶；信息产业部46所生长出中国第一 根6英寸砷化镓单晶，单晶重12kg，并已连 续生长出6根6英寸砷化镓单晶；西安理工 大在高压单晶炉上称重单元技术研发方面 取得了突破性的进展。

　　• 国外对SiC器件的研究证明了SiC器件的抗辐射的能力。 6H-SiC整流器的抗电磁脉冲(EMP)能力至少是硅器件的2 倍。实验结果表明结型6H-SiC器件有较强的抗下辐射的 能力。埋栅JFET在γ辐射条件下的测试结果，总剂量100 兆拉德条件下，跨导和夹断电压基本不变。对125伏和 410伏6H-SiC pn结整流器进行中子辐照实验，中子流从 1013nA/cm2，到1015nA/cm2b体育，时，辐照前后1000mA电流 的正向压降和雪崩击穿电压的测试结果说明：具有高掺 杂的125伏整流器在正向电流400mA的降压几乎不变(30 伏)，而雪崩击穿电压仅增加了8.8%，而低掺杂的410伏 整流器正向压降和雪崩击穿电压分别增加了8.6%和4%。 • GaN在宽禁带半导体中也占有主导地位。GaN半导体 材料的商业应用研究始于1 970年，其在高频和高温条件 下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员 的极大兴趣b体育。但GaN的生长技术和器件制造工艺直到近 几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于GaN半 导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景， 其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。

　　• 在集成电路用硅片中，8英寸的硅片占主流，约 40～50％，6英寸的硅片占30％。当硅片的直径从8 英寸到12英寸时，每片硅片的芯片数增加2.5倍，成 本约降低30％，因此，国际大公司都在发展12英寸 硅片，2010年产量将达到45亿平方英寸， iSuppli预 测，2013年，300mm外延片产量将从2008年的36亿 平方英寸增长到61亿平方英寸。 • 半导体硅材料自从60年代被广泛应用于各类电子元 器件以来，其用量平均大约以每年12～16%的速度 增长。目前全世界每年消耗约18000～25000吨半导 体级多晶硅，消耗6000～7000吨单晶硅，硅片销售 金额约60～80亿美元。可以说在未来30～50年内， 硅材料仍将是LSI工业最基础和最重要的功能材料。 电子工业的发展历史表明，没有半导体硅材料的发 展，就不可能有集成电路、电子工业和信息技术的 发展。

　　• 目前，以高敬德委员为主的几位全国政协委员投入 数十亿港元引进的美国、欧洲和日本等国家对我国 严格封锁和禁运的高尖端设备，已经辗转到达产业 基地。核心区首期项目建设所需的数十名由来自美 国、德国、日本、台湾等国家和地区的核心技术专 家和生产技术团队已经投入工作，全球同行业单体 最大的外延片厂已于去年10月份投产，另一全球同 行业单体最大的芯片厂将于今年5月份投产。上述 两个厂投产后，我国半导体微波器（MW）外延片、 芯片产能可进入世界前三位；半导体激光器（LD） 外延片、芯片产能可进入世界前四位；半导体照明 （LED）外延片、芯片产能可进入世界前五位，从 此，填补了我国光电子领域只有树枝、树叶，而没 有树根、主干的历史空白，并站到了世界光电子领 域的最前列。

　　• 一、概述 • 在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一 代半导体材料；将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化 锢、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料；而 将宽禁带(Eg2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金 刚石等称为第三代半导体材料。上述材料是目前主 要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分 别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介 绍。 • 材料的物理性质是产品应用的基础，禁带宽度决定 发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短(蓝光 发射)；禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数 值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导 体低压条件下的高频工作性能半导体，饱和速率决定半导 体高压条件下的高频工作性能。