第一代半導體材料概述

第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料。作為第一代半導體材料的鍺和硅，在國際信息產業技術中的各類分立器件和應用極為普遍的集成電路、電子信息網絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、硅光伏產業中都得到了極為廣泛的應用，硅芯片在人類社會的每一個角落無不閃爍著它的光輝。

第二代半導體材料概述

第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導體（又稱非晶態半導體），如非晶硅、玻璃態氧化物半導體；有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。因信息高速公路和互聯網的興起，還被廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。

第三代半導體材料概述

第三代半導體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（Eg》2.3eV）半導體材料。在應用方面，根據第三代半導體的發展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域，每個領域產業成熟度各不相同。在前沿研究領域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發階段。

和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，因而更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2ev），也稱為高溫半導體材料。

第三代半導體材料應用領域

1、半導體照明

藍光LED在用襯底材料來劃分技術路線。GaN基半導體，襯底材料的選擇就只剩下藍寶石（（Al2O3）、SiC、Si、GaN以及AlN。后兩者產業化為時尚遠，我們討論下前三者。總的來說，三種材料各有千秋。藍寶石應用最廣，成本較低，不過導電性差、熱導率低；單晶硅襯底尺寸最大、成本最低，但先天巨大的晶格失配與熱失配；碳化硅性能優越，但襯底本身的制備技術拉后腿。

全球LED襯底市場分析：普萊西、晶能光電和三星主要使用硅襯底，但是技術起步晚，目前產業規模較小，市場占有率低；Cree公司主要采用碳化硅襯底，但是由于其成本問題，加上專利壟斷，幾乎沒有其他企業涉足。中村修二領導的Soraa公司據知正在采用氮化鎵（GaN）襯底，這是良好的LED襯底材料，但是比藍寶石更昂貴，并且生產尺寸也受到限制，也不能夠被大量采用。因此，藍寶石襯底得以迅速發展，占據主流市場。

根據IHS最新研究情報顯示，在2015年全球96.3%的LED生產均采用藍寶石襯底，預計到2020年該數據將會上升到96.7%。2015年主要得益于價格下跌，藍寶石應用市場才得以提振。尤其是4英寸晶圓在2015年占據了55%的市場份額，其中9.9%是被三星、首爾半導體、晶元光電等大廠分割；6英寸晶圓產能也持續增長，主要以歐司朗、Lumileds公司、LG化學和科銳等廠商為首選。

2、功率器件

許多公司開始研發SiC MOSFET，包括科銳（Cree）旗下Wolfspeed（被Infineon收購）、羅姆、意法半導體、三菱和通用電氣。與此相反，進入GaN市場中的玩家較少，起步較晚。

2015年，SiC功率半導體市場（包括二極管和晶體管）規模約為2億美元，到2021年，其市場規模預計將超過5.5億美元，這期間的復合年均增長率預計將達19%。毫無懸念，消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導體最主要的應用。

目前市場上主要GaN產品是應用于高功率密度DC/DC電源的40-200伏增強性高電子遷移率異質節晶體管（HEMT）和600伏HEMT混合串聯開關，國外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國GaN相關企業有IDM公司中航微電子、蘇州能訊，材料廠商中稼半導體、三安光電、杭州士蘭微等公司。

3、微波器件

微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領域。

市調公司預測，2016～2020年GaN射頻器件市場將擴大至目前的2倍，市場復合年增長率（CAGR）將達到4%；2020年末，市場規模將擴大至目前的2.5倍。

GaN在國防領域的應用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產品中得到應用，充分體現其在提高功率、縮小體積和簡化設計方面的巨大優勢。

4、激光器和探測器

在激光器和探測器應用領域，GaN激光器已經成功用于藍光DVD，藍光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領域，藍色激光器和綠光激光器產值約為2億美元，如果技術瓶頸得到突破，潛在產值將達到500億美元。2014年諾貝爾獎獲得者中村修二認為下一代照明技術應該是基于GaN激光器的“激光照明”，有望將照明和顯示融合發展。目前，只有國外的日本日亞公司（Nichia）、和德國的歐司朗（Osram）等公司能夠提供商品化的GaN基激光器。

由于氮化鎵優異的光電特性和耐輻射性能，還可以用作高能射線探測器。GaN基紫外探測器可用于導彈預警、衛星秘密通信、各種環境監測、化學生物探測等領域，例如核輻射探測器，X射線成像儀等，但尚未實現產業化。

我國發展第三代半導體材料展望

現在已經發展到第三代半導體材料，但是第一代與第二代半導體材料仍在廣泛使用。為什么第二代的出現沒有取代第一代呢？第三代半導體是否可以全面取代傳統的半導體材料呢？

Si和化合物半導體是兩種互補的材料，化合物的某些性能優點彌補了Si晶體的缺點，而Si晶體的生產工藝又明顯的有不可取代的優勢，且兩者在應用領域都有一定的局限性，因此在半導體的應用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優點，從而生產出符合更高要求的產品，如高可靠、高速度的國防軍事產品。因此第一、二代是一種長期共同的狀態。

但是第三代寬禁帶半導體材料，可以被廣泛應用在各個領域，消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛星等，且具備眾多的優良性能可突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術的發展有望全面取代第一、二代半導體材料。

我國在第三半導體材料上的起步比較晚，且相對國外的技術水平較低。這是一次彎道超車的機會，但是我國需要面對的困難和挑戰還是很多的。