半导体材料的应用现状及发展趋势

王 旭

上海先着点光电科技有限公司，上海 215004

0 引言

半导体材料具有非常特殊的物理和化学属性，在现代社会生产和科技发展中发挥了重要作用，促进了现代科技尤其是电子技术的飞速发展。自20世纪50年代以来，半导体材料在全球得到了广泛的应用，并随着能源技术的变革和产业结构的调整而不断地变化和发展，近年来更是向着高性能、低功耗的目标发展[1]。我国提出了“双碳”目标后，对半导体材料的应用与发展提出了更高的要求，也为半导体行业的创新突破带来了新的契机。

1 半导体材料的发展历程

半导体材料的发展历程与同期的科学技术及工业生产的发展有着密切的关联。第一代半导体材料主要为硅、锗等元素材料，其构建的晶体管取代了笨重的电子管，促进了集成电路的快速发展，重点应用于低压、低频、中功率的晶体管及光电探测器等器件。第二代半导体材料兴起于20世纪70年代，主要为砷化镓、磷化铟等材料，其拥有良好的电子迁移率、带隙等特性，被广泛应用于微波、毫米波、通信、导航等领域，促进了现代移动通信、卫星通信、光通信等技术的快速发展。但该类材料不仅资源稀缺，而且具有较强的毒性，容易对生态环境造成严重的污染。第三代半导体材料以碳化硅和氮化镓为代表，相比于第二代半导体材料，第三代半导体材料不仅具有更加优秀的电子迁移率，而且具备耐压高、抗辐射、热导率大等优势，被广泛应用于智能电网、轨道交通、电动汽车等领域[2]。

半导体材料的出现和应用极大地提升了社会的生产力，使机械自动化、网络信息化、远程控制、人工智能等新技术逐渐由理论变成了现实。从半导体材料的发展历程可以看出，其研发与时代的科技和工业的发展步伐非常吻合，先后推动了集成化技术、传感技术、智能技术等现代技术的革新，使科技研究、工业生产乃至家庭生活都逐渐向自动化、信息化、智能化方向发展，极大地提高了人类的生产和生活水平。随着大数据、区块链、人工智能等现代技术的创新发展和快速应用，数字经济已成为社会发展的必然趋势，而“双碳”目标的提出更是为产业结构的低碳转型提出了重大挑战，半导体行业的发展可谓责任重大、任务艰巨。

2 半导体材料的应用和研发现状

2.1 传统半导体材料的应用

2.1.1 光伏领域

在以太阳能发电为主的光伏领域，以晶体硅为代表的半导体材料是太阳能电池的核心组成部分，光电转化率极高。特别是随着绿色发展理念的不断深入，以及全球能源革命的不断推进，太阳能、风能等清洁能源的市场前景十分广阔，半导体材料得到了充分的应用。在我国，太阳能电池已经被广泛运用于城郊和农村发电、道路照明供电等方面，为我国的城乡发展和新农村建设作出了巨大的贡献。半导体材料的质量和成本在很大程度上决定了太阳能电池的运行效率和运用范围，而晶体硅无疑是目前性价比最优的半导体材料。

2.1.2 照明领域

随着现代照明技术的不断发展，以及人们对于节能、降耗的要求的不断提高，LED照明技术已经逐渐取代传统的白炽灯照明成为当前照明市场的主流技术。LED技术的核心部件是半导体晶体管上的发光二极管，其具有光源体积小、效率高、能耗低、发热少、反应快、寿命长等优势，并且比传统灯源更加环保，因此被广泛应用于各行各业。除了室内照明，LED照明还被应用于交通指示灯、城市美化光源等方面，在电力消耗、灯光效果等方面具备独特优势。此外，由于半导体材料体积小、质量轻、照明效果极好，目前已经被用作手机、平板电脑等电子产品的背光源。

2.1.3 电源领域

在电器设备中，交流电和直流电的转换对于电器设备的使用功能有着重要的影响，可以为电器提供及时的保护，避免电器在使用过程中或在突发情况下出现故障甚至毁损。电源转换装置的核心部分需要使用半导体器件。从材料属性来看，硅的化学属性较其他元素材料更加适用于功率转换，可以对电器的电源转换起到较好的保护作用。随着新半导体材料，特别是碳化硅材料的出现，能够适应高温、高频、高压等环境的半导体材料已经逐渐取代传统硅材料，成为电源领域的常用半导体材料。

2.2 第三代半导体材料的应用

2.2.1 第三代半导体材料的规模化应用

在20世纪90年代，随着高频、高温、高功率、高能效等社会发展新要求的日益严苛，第一代的硅功率器件到了技术瓶颈期，第一代半导体材料的功能已达到极限，无法满足现代科技的客观需求，而第二代半导体材料又与全球的环境保护和绿色发展的潮流相悖，这促成了第三代半导体材料的快速崛起。从半导体材料的规模化应用情况看，LED半导体照明是以碳化硅为代表的第三代半导体材料的首个突破口，有效解决了衬底材料与氮化镓的晶格匹配度之间的主要问题，不仅降低了照明设备的缺陷率，而且拥有更高的电光转换效率，实现了更多出光、更少散热的照明改革目标。

在LED照明之后，第三代半导体材料逐渐被应用于各类半导体器件，主要包括功率器件和微波器件。例如，在供电系统领域，硅二极管等半导体材料被用于功率元件，为电力系统的功率调节提供重要保障。由于半导体材料的工作频率非常高，并且可以在极端恶劣的环境条件下保持良好的应用功效，因而被广泛应用于微波、高频及短波长领域，目前已经得到了较为成熟的应用[3]。雷达、通信等领域，特别是军用领域也逐渐成为世界各国探索第三代半导体适用的新领域。

2.2.2 第三代半导体材料的市场化应用

作为第三代半导体材料的代表，碳化硅和氮化镓自发现时起，经历了一百多年的研究和应用，得到了全面的市场化应用，被广泛用于轨道交通、LED照明等领域，拥有极其广阔的市场前景。长期以来，受到材料成本的影响，第一代半导体材料（硅材料）牢牢占据着市场的主导地位，第二代半导体材料的高污染问题和第三代半导体材料的高成本缺陷一直是这些材料未能快速占据市场的重要原因。随着近些年半导体材料科技的不断发展，碳化硅和氮化镓的成本已经越来越接近硅元件的成本，目前在工业领域和新能源领域已经完全取代了硅，已经占据了功率半导体材料的主要市场；在汽车领域，碳化硅和氮化镓的成本尚未对传统的硅半导体材料造成冲击，但取代后者的市场地位也是指日可待。目前，碳化硅和氮化镓已经被普遍视为传统硅的替代半导体材料，并且以其高性能、低污染的优势得到政府、组织、企业的普遍青睐。

2.3 半导体材料的研发现状

自半导体材料出现以来，其始终向着低缺陷甚至无缺陷的方向发展，这也是广大半导体研发企业的努力方向。其中，增加碳化硅晶体的直径，是半导体材料商业化拓展的主要目标。因此，碳化硅、氮化镓技术的研究，需要从晶体生长和加工两个方面着手，不断推动半导体材料功能的增强和延伸。以碳化硅为例，其主要制备方法有物理气相输运法、籽晶升华法。由于碳化硅本身具有极强的硬度，因而主要采取金刚石磨料为基础的加工设备，对碳化硅材料进行切割和磨削。通过严格管控设备、压力、温度等外部环境，可以提升单晶的质量，并有效降低单晶的成本，从而赢得更多的市场份额[4]。

3 “双碳”背景下半导体材料的发展趋势

3.1 半导体材料发展的前端领域

3.1.1 智能电网领域

在智能电网建设中，高压直流、柔性直流、灵活交流以及断路、变压等场景都离不开半导体材料的应用。相比于其他电力设施，智能电网中的电力系统对于电压和功率容量有着更高的要求，电力输送的稳定性和可靠性更是关乎广大人民群众的生命和财产安全。碳化硅器件很好地解决了传统硅半导体材料无法解决的难题，突破了高压、高温、高功率等环境下的技术瓶颈，并且具有高可靠性、高稳定性、高效低耗等不可替代的优势，因而将逐渐取代传统的半导体材料，成为智能电网建设和发展的中坚力量。

3.1.2 新能源汽车领域

在电动汽车系统中，电机驱动、车载充电等系统都涉及功率半导体材料的应用，特别是在逆变器方面，在相同功率下，碳化硅模块的封装能耗更低、尺寸更小，极大地提高了电动汽车的总体性能。随着碳化硅器件成本的逐渐降低，电动汽车器件中的半导体材料的应用也越来越多，其应用逐渐延伸到电动汽车充电桩的功率器件领域。

3.1.3 IT产品领域

半导体材料在以电子产品为代表的IT领域已得到了广泛的应用，尤其是在促进智能手机向更轻、更薄、更小、功能更强大等方向发展的方面，半导体材料发挥了不可替代的作用。随着人们对IT产品的功能化、便捷化要求的不断提升，柔性显示屏已经成为当前智能手机领域的新宠，同时也对液晶显示屏的材质提出了更加严苛的要求。低维纳米半导体材料以其较强的柔韧性和耐受性，为电子芯片和柔性显示屏技术的发展带来了新契机，在推动电子产品向轻、薄、柔方向发展的同时，切实保障了电子产品的性能和使用寿命[5]。

3.1.4 照明领域

照明领域是第三代半导体材料实现规模化应用的第一个产业领域。随着半导体材料科技的深入发展，在石墨烯上培养高质量氮化物从而推动高效率深紫外LED等新型光源的发展成为该领域半导体材料发展的新趋势和新方向。研究表明，基于石墨烯的半导体材料器件与碳化硅、氮化镓相比，具备更低的电流及更高的开启电压，并且具有易于滑动的特殊属性，从而为薄膜LED新器件的研发与生产提供了新思路，为现代照明技术的改革提供了技术支持。

3.2 新型半导体材料的发展趋势

除了适用领域的拓展和延伸，半导体材料的应用还体现在技术的进一步革新和升级换代方面。据了解，以氧化铟镓锌为代表的第四代半导体材料目前在技术研发方面已经取得了重大突破。与第三代半导体材料相比，氧化铟镓锌的电子迁移率得到了进一步的提高，可以在更加细窄的通道环境下进行数据和信息的传递。此外，新型半导体材料的能耗更低、亮度更高、稳定性更强，在照明、新能源、通信等领域将有更加广阔的市场前景。从研究情况看，氧化铟镓锌还有非常高的分辨率，其构筑的高性能薄膜晶体管不仅面积更小、效率更高，而且显示面板的分辨率也得到了巨大的突破，大屏幕OLED电视将成为未来电视的发展新方向。

除了氧化铟镓锌，硬度高于碳化硅的金刚石也逐渐成为未来半导体材料研发与应用的增长点。美国的Akhan半导体公司提出了“终极半导体”的概念，运用CMOS金刚石半导体工艺生产出的二极管的厚度比硅要薄百倍，而相关性能参数却比硅高出了百万倍。在2021年8月，该公司更是研发出了300 mm的金刚石衬底，其以超低的阻值和超高的性能得到了业界的高度关注，被视为航天、通信、国防及电子科技芯片技术的未来。

4 结束语

半导体材料的发现和研究推动了世界工业和产业技术的快速进步，为传统设备的转型升级提供了重要的契机。经过近百年的发展，第三代半导体材料已经出现了不少较为成熟的技术，并且在大数据、互联网、智能化等新兴产业中发挥重要作用，其节能环保的优点也得到了相关保护组织和消费者的充分认可。因此，我国相关单位和企业要重视半导体材料的研发，科学精准地进行产业布局，并在政府和行业组织的统筹谋划下高瞻远瞩地确定战略定位，使半导体产业成为我国高科技发展的支柱产业，为我国的科技建设与发展作出更大的贡献。