近年來，隨著半導體照明產業的迅猛發展以及LED技術及產品的廣泛應用，支撐LED光電器件的核心材料氮化鎵(GaN)以及碳化硅(SiC)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料技術及應用正在成為全球半導體產業新的戰略高地。

作為北京全國科技創新建設、京津冀協同創新合作的一項重要工作，近日，在京“北京市科委與順義區政府共同推進全國科技創新中心建設工作會”在北京市科委召開。北京市科委、順義區政府以及國家半導體照明工程研發及產業聯盟共同簽署了《北京第三代半導體材料及應用聯合創新基地建設戰略合作協議》;聯合創新基地的運營主體——北京國聯萬眾半導體科技創新中心與天津半導體光源系統產業技術創新戰略聯盟、中國電谷(河北)第三代半導體產業技術創新戰略聯盟三方簽署了《第三代半導體材料及應用聯合創新基地“京津冀”共建合作協議》。

為此，記者查閱了《半導體照明》關于第三代半導體材料的文章，發現在2013年第11期《半導體照明》特別策劃中一篇南京大學電子科學與工程學院教授、 中國科學院院士鄭有炓為本刊撰寫的《第三代半導體材料面臨的發展機遇與挑戰》文章，雖然是鄭有炓院士2013年所寫，但從今天看來，該文的前瞻性和戰略性分析仍值得我們細細品讀。鑒于本網以前未曾公開發布，今特全文刊發希望能對業界有個參考。全文如下：

一、前言

一代材料，一代器件，一代裝備，一代應用。

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。未來將被廣泛應用于光電子器件、電力電子器件等領域，以其優異的半導體性能在各個現代工業領域發揮重要革新作用，應用前景和市場潛力巨大。

1993年，第一只高亮度GaN基藍光LED誕生，實現了人們長期以來立足寬帶隙半導體材料發展高效藍光發射的愿望，展現寬帶隙半導體材料具有極其重要的實際應用前景，隨即引發以Ⅲ族氮化物為代表的寬禁帶半導體材料的全球性研發熱潮。人們期望利用寬帶隙材料的特點，創新開拓時代需求的新技術。由于這類寬帶隙材料功能不同于第一代鍺、硅元素半導體和第二代以GaAs、InP為代表的化合物半導體，所以被稱為“第三代半導體材料”(third-generation semiconductors)。

當前人們主要關注的寬帶隙半導體材料包括Ⅲ族氮化物(InN,GaN,AlN及其合金)、Ⅱ-Ⅵ族化合物(ZnO，ZnSe及其合金)和Ⅳ族化合物SiC與金剛石等三類材料。經過近20年的發展，以GaN，SiC為代表的新興寬帶隙材料已展現出極其重要的戰略性應用價值，有望突破第一、二代半導體材料應用技術的發展瓶頸，創新開拓時代需求的新技術領域，不僅在信息領域而且進入到能源領域也發揮極為重要的作用。

此外，處于探索發展階段的ZnO基材料具有潛在的應用優勢：基于巨大的激子結合能(ZnO為60meV,GaN為21meV)和相應高效率激子輻射過程，可望發展高熱穩定性、低閾值的激子基ZnO基短波長激光器，預計工作溫度可高達550K。ZnO還具有比Si、GaAs更優越的抗輻射性能，可用于開發具有極強抗輻射能力的太空紫外探測器。還有，金剛石薄膜半導體材料，從理論上講，具有比其他類型寬帶隙半導體更為優越的電子特性：很寬的帶隙(≈5.5eV)、非常高的熱導率[達20W/(cm·K)]、極高的臨界擊穿電場(107V/cm)、非常高的電子飽和漂移速度和載流子遷移率、很小的介電常數(為已知半導體中最小值)和化學惰性以及高度抗輻射性能，應該是發展高溫、高功率、高頻電子器件的最理想材料。但金剛石薄膜材料制備技術難度大，還有很長的路要走。

第三代半導體材料還屬發展中的新興寬帶隙半導體材料。例如，近期興起的一種新型寬禁帶半導體材料--銦鎵鋅氧化物(即InGaZnO合金，簡稱IGZO)，受到人們極大的關注，IGZO-TFT 背板技術有望引領LED背光的液晶顯示技術，帶來一場新變革。

二、機遇與挑戰

社會需求是驅動新材料、新技術發展的原動力。第一代半導體材料是在20世紀40～50年代，第二代半導體材料是在20世紀60～70年代分別在不同歷史背景社會需求驅動下形成、發展起來的。當代社會發展需求為第三代半導體材料帶來了新的發展機遇，同時也對新興的第三代半導體材料提出了嚴峻挑戰。半個多世紀來，第一、第二代半導體科學技術已創建歷史輝煌，促進了20世紀信息技術革命，推動了科學技術進步、社會產業結構變革，深入到社會各方面、各領域，深入到每個家庭，從根本上改變了社會生產方式和人們的生活方式，給整個社會帶來了不可估量的影響。但是，基于傳統半導體材料的信息電子、電力技術的發展正逐漸趨于逼近“材料物理極限”，難于滿足新時代、新環境、新需求。例如，面對節能減排、維持世界可持續發展的全球性需求，發展高能效電-光、光-電和電-電能量轉換刻不容緩;“大數據時代”信息技術;現代空間技術、國防技術;極端條件、惡劣環境電子技術和傳感技術;現代大型牽引電力工程;綠色可再生能源的高效電力轉換等等都提出了更高要求。第三代半導體材料所具有的獨特性能，有望在這些領域突破傳統半導體技術的發展瓶頸，開拓新技術應用, 包括諸如基于第三代半導體材料的LED、LD發光技術、功率電子技術、微波功率技術、TFT技術、紫外探測技術和 MEMS與傳感技術等等，與第一代、第二代半導體技術互補，對本世紀社會發展發揮重要的推動作用。

Ⅲ族氮化物LED發光技術、寬帶隙半導體功率電子技術和近年興起的IGZO氧化物半導體TFT技術是應對當前新時代、新環境、新需求的第三代半導體材料應用的熱點領域。

（一）Ⅲ族氮化物LED發光技術--愈益展現廣闊發展空間

Ⅲ族氮化物半導體(III-nitrides)是由GaN、AlN和InN及其合金組成的材料體系，具有獨特的材料優勢：能隙極其寬廣(0.7eV～6.2 eV)，覆蓋了Ge、Si、GaAs、InP 等傳統材料的能隙范圍;光學窗口(1.77μm～0.20μm)覆蓋從近紅外-深紫外的寬廣光譜范圍，包括準太陽光光譜響應窗口;GaN、AlN和InN三基質材料體系全組分直接能隙，輻射復合動量守恒，輻射效率高;優異的物理、化學穩定性，耐高溫、抗腐蝕、抗輻照。因此，Ⅲ族氮化物是實現高效光發射的理想材料。

1993年，日亞化學工業社中村修二推出世界上第一只高亮度GaN基藍光LED，解決了自1962年LED問世以來高效藍光缺失的難題，導致RGB大屏幕平板全色顯示的實現，引領信息顯示技術的大變革，更為重要的是進而引發了現代照明技術革命，以高效、綠色、智能照明為特色，開辟了固態照明新紀元。作為高效電-光能量轉換技術，順應全球節能減排的時代需求，使半導體技術從“信息領域”跨進“能源領域”，成為節能減排的有效舉措，深受世界各國政府的高度關注。“傳統照明”占據了巨額能源消耗，照明效率的微細增加就可節省巨額能源。國際上“照明”耗能約占總電功率的20%，目前我國大陸地區占總電功率的12%～13%，預計到2020年將占19%。LED照明較傳統照明能效有望提高50%～70%，節能效果極其可觀。例如，2008年全球436臺核電機組運行，占總發電量14%，2008年我國11臺核電上網發電量692億千瓦時，占全國總發電量2%。可見，節約照明能耗具有重要意義。因此，LED照明技術受到世界各國政府重視，在政策激勵和扶持下，已取得高速發展，半導體照明作為戰略性新興產業得到了蓬勃發展，已較好實現“一代材料”向“一代技術”再向 “一代產業”的轉移。2012年我國大陸地區半導體照明產業達1920億元(其中上游外延芯片80億元、中游封裝320億元、下游應用1520億元)。而2012年我國大陸地區集成電路產業銷售總額為2158.5億元，可見我國半導體照明產業發展是多么迅速。

半導體照明技術雖然已取得長足進步，但如何充分發揮LED照明高效、綠色、智能化的三大特色，還有很大的提升、發展空間。歸納起來主要是如何實現高能效照明、人性化照明、低成本的照明和智能化的照明，尤其要強調的是降低成本。半導體照明惠及全民，是人們的日常生活用品，必須價廉物美，提高品質降低成本是永遠追求的目標。LED芯片在半導體照明產品成本中所占的比例過去長期居高不下，近年來隨著LED技術的進步，目前芯片價格已經有很大幅度的下降;但半導體照明產品是一個照明系統，其成本不僅僅取決于LED芯片，還包括照明系統的系列構件、部件成本。因此，降低照明系統構件、部件成本將日益凸顯重要。半導體照明智能化是繼高能效發光之后所必須追求實現的另一重要目標。智能化照明將充分發揮LED電子-空穴復合物理發光的特點，引領實現照明數字化新時代，順應新時代照明的需求，并進一步實現二次節能功能，是LED 照明的發展方向。半導體照明智能化需要微電子技術的支持，需要更多的企業和技術參與，實現微電子技術、傳感技術與LED發光技術相融合，從而也帶動微電子技術、傳感技術產業的發展。

半導體照明的重要性日益被人共識，在2013年1月19日發布的防治汞污染的國際公約中，各國政府同意在2020年之前禁止一系列含汞產品的生產和貿易，包括含汞的電池、開關、節能燈、肥皂以及化妝品等。這為LED照明產業發展帶來新機遇，更加有力地推動LED照明成為整個照明發展的趨勢。因此，從產業角度來看，應用又將成為驅動半導體照明產業發展的新動力，照明終端產品將會強勢發展，引領傳統照明產業實現轉型升級。目前半導體照明在整個照明產業中所占的比例僅占6%左右，因此，從照明產業角度尚處于發展初期，具有十分巨大的市場前景。

LED發光技術的進步現已突破傳統的照明概念，并已開拓、發展LED發光新技術領域。沿長波方向，已從藍光拓寬到綠光、黃光、紅光，發展“超越照明”，開拓在生物、農業、醫療、保健、航空、航天和通信等領域應用;沿短波方向，現已發展高效節能、環境友好、智能化的“紫光光源”，期望逐步取代電真空紫外光源，引領紫外技術的變革，開拓紫光應用廣闊領域。UVA-LED(315～400nm)作為紫外固化光源(UV curing technology)，被用于光敏材料的光固化、紫外LED印刷機、數字噴涂打印等領域;UVB-LED(280～315nm)用于醫學理療，熒光分析，藥物研發等領域;UVC-LED(180～280nm)作為殺菌技術(germicidal technology)，被用于空氣和水凈化、殺菌和化學/生物檢測 。

總之，以藍光LED為先導發展起來的Ⅲ族氮化物LED發光技術，愈益展現廣闊發展空間。藍光LED引發的半導體照明技術是Ⅲ族氮化物、也是第三代半導體材料應用發展最快、進展最大、最具發展前景的創新技術。由半導體照明引領的現代照明技術的革命，內涵極其深遠，它不是簡單地替代“舊電光源”，其意義將“與時俱進”，將使傳統照明技術實現超越發展，對社會技術進步、經濟發展發揮重大貢獻。

（二）寬帶隙半導體功率電子技術--將突破Si材料極限，開辟新一代功率電子技術

在現代社會中，電能轉化無所不在，無時不有。功率電子器件(power devices)是功率電子系統電能轉換的核心部件，器件性能對功率電子系統的能耗、體積與重量大小、成本高低和可靠性都起著決定性作用。對于理想功率電子器件的要求是：關閉狀態時能承受高電壓;導通狀態時具有高的電流密度和低的導通壓降;開關時間短，能承受高的dI/dt和dV/dt，低的開關損耗。Si功率電子器件一直是功率電子技術的主流技術，半個多世紀來，Si器件結構不斷更新換代，器件性能不斷得到改善和提高，滿足了科學技術和工業社會發展的需求。今天，信息社會高度發展，高新技術日新月異，對功率電子技術提出了更高要求，不僅迫切要求進一步提高電-電轉換能效，而且迫切提出功率大、電流強、頻率高、功耗低和高溫度極限等新要求。

大數據時代引領的變革，為功率電子技術發展帶來良好發展機遇，同時也提出了更高的要求，面臨嚴峻的挑戰。近年來,移動互聯網和物聯網的蓬勃發展，實現了人、機、物三元世界的高度融合，導致社會信息數據爆炸式增長，紐約時報2012年2月13 日網站刊載文章，提出大數據時代降臨，信息技術正進入“大數據時代”(age of big data)。“大數據帶來的信息風暴正在變革我們的生活、工作和思維，大數據開啟了一次重大的時代轉型：思維變革、商業變革和管理變革”。(維克托·邁爾·舍恩伯格2010年在《經濟學人》所發文)。

大數據將為人們認識世界和改造世界提供新的強有力工具，能夠更加容易地把握事物規律，更準確地預測未來，而非靠經驗和自覺。2011年，全球被復制和創建的數據量為1.8ZB(Z=1021),超過人類有史以來所有印刷材料的數據總量(200 PB，P=1015)。如果把1.8ZB的數據量刻錄存入普通DVD光盤，光盤的高度將等同于從地球到月球的一個半來回，也就是大約72萬英里(=115.2萬公里)。預測全球數據量大約每兩年翻一番，2015年將達到8ZB，到2020年將達到35ZB。大數據時代既為信息技術帶來新的發展機遇，同時也提出新的挑戰。例如，需要巨大功耗支撐大數據時代超海量信息運轉，特別是數據中心需花費巨大功耗。數據中心用電和制冷費用正在以硬件費用8倍的速度增長。數據中心已經從幾臺大型計算機的普通機房發展至數百上千臺服務器的高密度計算中心，它需要相當于一個小城鎮的供電量。計算機服務器需要消耗巨大的能量來支撐整個互聯網的基礎設施，例如：2008年谷歌(Google)服務器系統耗電量接近1000MW ;同年“中移”等三大運營商耗電量為231億度，相當于二氧化碳排放量2144萬噸，其中基站用空調年耗電量達70億度，相當于二氧化碳排放量750.67萬噸。據統計，2008年全球用于無線信息系統的能源消耗占全球電

能總消耗的3%，信息傳輸量每5年就將增長10倍，這意味著以現有的技術，5年后用于各種數據系統的能耗將相當于目前全球電能消耗的30% ;因此，能耗將成為困擾未來信息技術可持續發展的主要挑戰，降低能耗是互聯網技術可持續發展面臨的最大挑戰。

此外，當前正在興起的大功率動力牽引裝置(如高鐵、電動車等)、航空航天設備和國防軍事裝備等對功率電子技術有更苛刻的要求，需要高能效的電-電轉換、特高電壓、特大電流的功率電子技術。

另一方面，功率電子裝備輕量化、小型化，是目前高新技術發展的必然趨勢。這就要求高能效電功率處理能力并提高功率器件開關速度，例如，開關電源(switching mode powersupplies，SMPS)。功率電子器件是“開關電源”的核心部件，在開關電源中通過控制電路對輸入電壓進行脈沖調制，實現DC/AC或DC/DC電壓變換以及輸出電壓可調和自動穩壓，為現代用電系統提供高效電源。

因為Si功率電子技術性能的提升已逐漸接近“硅材料極限”，Si功率電子技術很難滿足如上所述新時代和新環境的新要求。發展新一代功率電子技術--第三代半導體功率電子技術，或稱作“寬帶隙功率電子技術”，有望突破“硅材料極限”。第三代半導體材料SiC、GaN與Si相比，具有寬帶隙、高飽和電子漂移速度、高臨界擊穿電場、低介電常數和高熱導率等特性，是發展新一代功率電子器件的優選材料。制成的SiC、GaN基功率電子器件具有關態耐壓高、通態比電阻低、工作頻率高等優勢，是一類開關損耗小和耐高溫工作能力強的新一代功率電子器件。例如，碳化硅器件在低擊穿電壓(約50V)下，比導通電阻僅有1.12μΩ，約是同類硅器件的1/100 ;在高擊穿電壓(約5kV)下，比導通電阻提高到25.9mΩ，卻約是同類硅器件的1/300。更低的導通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導通損耗，從而能獲得更高的整機效率。碳化硅器件的極限工作溫度有望達到600℃以上，硅器件的最大結溫僅為150℃，而且碳化硅器件抗輻射能力較強，在航空等領域應用可以減輕輻射屏蔽設備的重量。

基于SiC、GaN材料各自的特點，SiC器件與GaN器件在功率電子領域各有應用優勢：SiC 主要適合用于大電力領域(千伏以上)，GaN 適合用于低電力(千伏以下)、轉換速度較快領域和替代現有的Si功率器件的廣闊領域。GaN功率器件與Si的IGBT和MOSFET相比，電能損耗較小且可實現小型化，可廣泛用于功率因子校正、電機驅動，以及空調和電磁爐等家電產品。SiC功率器件可用于混合動力汽車和純電動汽車的逆變器、太陽能發電系統中的功率調節器，以及工業設備中使用的輸出功率為數千瓦～數十千瓦的電力轉換器等廣闊領域，近來受到業界的關注。

可見，寬帶隙功率電子技術具有功率密度大、電流強、頻率高、功耗低和高溫度極限的特點，能滿足當代科學技術和工業社會發展的需求，以及新時代、新環境的要求。但與成熟的Si 相比，SiC和GaN屬發展中的新興材料。發展寬帶隙功率電子技術無論在材料、器件方面都還面臨嚴峻的挑戰，材料襯底、器件性能、制造成本三者密切相關，必須從應用需求出發，做統籌決策。

（三）氧化物半導體TFT 技術--引領LED背光液晶顯示技術新發展

平板顯示是人機聯系和信息展示的窗口，對現代信息技術的發展具有十分重要的意義。平板顯示技術發展日新月異，TFT-LCD是目前平板顯示應用的主流技術。近年來，以iPhone和iPad為先導的智能手機和平板電腦的問世，引發智能移動終端技術迅猛發展，從簡單的通話工具變為一個綜合信息處理平臺，幾乎任何信息功能的需求都可通過互聯網轉移到智能移動終端上完成。因此，發展超低功耗、超高分辨和超快響應的顯示技術，顯得日益重要。這為平板顯示技術發展帶來了新機遇，同時TFT-LCD顯示技術又面臨新的嚴峻挑戰。

銦鎵鋅氧化物(IGZO)是一種新型寬禁帶半導體材料，近年來被成功地應用在LED背光液晶顯示的TFT驅動技術上，有望給LED背光的液晶顯示技術帶來一場新變革。IGZO-TFT背板相比當前主流的α-Si TFT背板，具有以下系列優點：(1)IGZO材料的電子遷移率是α-Si材料的20～50倍以上，可顯著提升像素的開口率，提高背光利用率;(2)采用柵源極布線細化技術，TFT面積可降低到α-SiTFT面積的1/4 ;背板的分辨率可達α-Si背板的2倍以上，且響應速度快，具備實現大容量信息處理的能力;(3)由于漏電流極低(可小于1pA)，可通過減少顯示刷新頻率，來大幅降低顯示屏的功耗，并顯著提高觸控性。例如：IGZO-TFT背板的靜態畫面刷新頻率可由現行的30～50Hz減少到2～5Hz, 相應耗電量是α-SiTFT背板的1/10～1/5;(4)IGZO 材料寬禁帶寬度大于3.0eV，全透明，對可見光不敏感，能進一步增加開口率，提高顯示亮度，降低背光功耗;(5)IGZO-TFT工藝與α-Si TFT技術兼容性好，可利用現有的高世代面板生產線進行轉產。因此，IGZO-TFT背板具有超高清(UHD)、超低功耗和較低成本的特點。

IGZO-TFT有望取代目前的α-Si TFT成為新一代LED背光液晶顯示驅動技術，即IGZO-TFT LED液晶顯示技術(簡稱IGZO-TFT背板技術)，將廣泛應用于電視、智能手機和平板電腦等各種顯示和智能移動終端設備。IGZO-TFT背板技術的最大優勢在于低功耗，其顯示屏的能耗與目前最先進的α-Si或低溫poly-Si液晶屏相比，至少要低50%以上。對于iPad等個人平板電腦和iPhone等智能移動終端，在平均工作負載下，系統(CPU+硬盤等)的能耗和顯示(背光+驅動等)的能耗比例約為1∶1;這樣算來，如能使用IGZOTFT背板技術，個人平板電腦將節能25%以上，這對iPad等靠電池工作的移動便攜設備來說意義就更大。此外，IGZO-TFT 驅動技術還有望用于有源矩陣OLED(AMOLED)面板，可實現無需LED 背光的超低功耗、高響應速度、高對比度、廣視角和柔性的顯示屏技術。還有，IGZO還被研究在大面積玻璃上制備廉價的存儲器和邏輯電路，為未來實現低成本的智能化玻璃面板(system on glass)提供了新的技術途徑。

由于IGZO-TFT背板技術具有如上所述的諸多優點，成為近年來國際上的研發熱點，但也面臨嚴峻技術挑戰：IGZO材料尚處于發展初期，還存在許多基本問題沒有得到解決，如非晶IGZO 薄膜中存在很高的缺陷態密度，界面問題復雜，嚴重影響α-IGZO TFT器件的穩定性和可靠性;另外，IGZO-TFT技術的產業化還不夠成熟，尚待研究開發，目前國際上只有少數幾家公司做得相對較好。

三、結束語

第三代半導體材料作為繼第一代鍺、硅元素半導體和第二代以GaAs、InP為代表的化合物半導體之后發展起來的新興半導體材料，已經展現出極其重要和具有戰略性的應用價值，有望突破第一、二代半導體材料應用技術的一些發展瓶頸，創新開拓時代需求的新技術領域，不僅在信息領域而且進入到能源領域發揮極為重要的作用。但第三代半導體材料尚屬發展中的新興材料，面對高度發展的信息社會和工業、經濟社會日新月異的應用需求，第三代半導體材料必將在應用中發展、成熟，與第一代、第二代半導體材料形成優勢互補，為本世紀技術、工業和社會的發展做出重要貢獻。——本文選自2013年第11期《半導體照明》。