电子信息材料

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1、.-半导体材料的开展现状及未来展望智能160141623405吕懿前言：半导体材料〔semiconductormaterial〕是一类具有半导体性能〔导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm围〕、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要根底材料，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开展。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济开展、科技进步和国防实力的重要标志。一、第3代半导体材料及应用半导体材料的开展可以划分为三个时代。第1代半导体材料以硅(Si)和锗(Ge)等元

2、素半导体材料为代表，奠定了微电子产业根底。其典型应用是集成电路(IntegratedCircuit,IC)，主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器，在未来一段时间，硅材料的主导地位仍将存在。但硅材料的物理性质限制了其在高压和高频电子器件上的应用。第2代半导体材料以GaAs和磷化锢(InP)为代表，奠定了信息产业根底。GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍，具有直接带隙，故其器件相对Si器件具有高频、高速的性能，被公认为是很适宜的通信用半导体材料。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，由于禁带宽度围不够大、击穿电场较低，限制了其在高温、高频和高功率器件领

3、域的应用。另外，GaAs材料具有毒性，对环境和人类安康存在威胁。第3代半导体材料是指带隙宽度明显大于Si(1.1eV)和GaAs(1.4eV)-.word.zl.-的宽禁带半导体材料(2.0-6.0eV)，包括III族氮化物〔如氮化稼(GaN)、氮化铝(A1N)等〕，碳化硅(SiC)，宽禁带氧化物〔(如氧化锌(ZnO)、氧化稼(Ga2O3)、钙钦矿(CaTiO3)等)〕及金刚石薄膜等宽禁带半导体材料。与第1代、第2代半导体材料相比，第3代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，第3代半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而

4、且在高电压、高频率状态下更为可靠，此外还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。第3代半导体材料主要有3大应用领域:电力电子、微波射频和光电子。产业链主要包括材料、器件和应用环节，具体如图1所示。它具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，是固态光源、下一代射频和电力电子器件的“核心〞，在半导体照明、消费类电子、5G移动通信、新能源汽车、智能电网、轨道交通等领域有广阔的应用前景，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第1代、第2代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点发挥重要作用，正在成为全球半导体产业新的战略高地。

5、我国在半导体照明方面已经形成完整的产业链和一定的产业规模，成为全球开展最快的区域，为第3代半导体在其他领域的应用奠定了良好的根底。但我国在电力电子、通讯等领域的研发和产业化与国外差距较大，需要加大研发投人，建立体制机制创新的研发创新和科技效劳平台，构建立足地方、带动全国、引领世界的跨学科、跨行业、跨区域的第3代半导体创新价值链，重塑全球半导体产业开展格局。-.word.zl.-图1第3代半导体产业链构造一、半导体材料的开展现状国际上第3代半导体材料已经取得了原理性的科学突破，即将进人颠覆性技术创新和应用的阶段。第3代半导体材料科学的根底性研究和产业化技术已经在美国、日本、

6、欧盟3大区域初步开展成熟。第3代半导体科技的开展，不仅表现在衬底及外延材料尺寸不断由小直径向大直径开展，也表达在材料质量与器件性能的不断飞跃。与此同时本钱和价格不断下降，推动了相关产业的升级开展。我国开展第3代半导体的研究工作虽然起步比兴旺国家稍晚，但在国家科技方案工程多年连续支持下，在技术和人才方面形成了良好的积累和根底，并在国防、电动汽车等领域已开场相关器件的应用。依托我国巨大的潜在应用市场，通过需求牵引，有望带着我国第3代半导体在新时期实现“弯道超车〞，抢占第3代半导体战略制高点。在微波射频领域，GaN-.word.zl.-器件在民用市场和军用市场都已经实现规模化应

7、用。在民用市场，GaN射频器件在5G通信领域需求显著。5G通信的数据流量需求将是现有技术流量的1000倍以上，届时对GaN射频器件的使用量将为现有GaAs器件的100倍以上。日本松下公司已推出业界最小的增强型600V一GaN功率晶体管。在军用市场，GaN射频器件需求快速增长，仅战斗机雷达对GaN射频功率模块的需求就将到达7500万只。目前，美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达(AMDR)已采用GaN射频功放器件替代GaAs器件。据Yole预测，2021年末，GaN射频器件市场规模将扩大至目前的2倍，到达7.5亿美元，年