第三代半導體材料概述弋江區微電子產業辦公室2018年6月硅單晶1947年，第一個晶體管npn-鍺晶體管1958年，第一塊集成電路以硅和鍺等為代表，奠定微電子產業基礎硅半導體材料的主導地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻功率器件上的應用，如其間接帶隙決定了它不能獲得高的電光轉換效率。第一代半導體2以砷化鎵和磷化銦等化合物半導體為代表，奠定信息產業基礎砷化鎵能帶圖，直接帶隙，禁帶寬度1.424eV砷化鎵和磷化銦為直接帶隙化合物半導體，相對硅器件具有高頻高速的光電性能，是新一代的通信用材料，如手機、光纖通訊、微波、毫米波器件。但其有毒，波長范圍短（>500nm），覆蓋光譜范圍小，同時限制其更高頻，抗更高輻射性能。第二代半導體3以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅以及金剛石等寬禁帶化合物半導體為代表，支撐戰略性新興產業基礎。SiC和GaN等寬禁帶半導體材料具有高的擊穿電場、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。第三代半導體在光電子領域和微電子領域相比前兩代半導體更具優勢。第三代半導體40.30.40.50.65.04.06.03.02.01.0Band-gapenergy(eV)AlN

GaN

InN0.30.40.20.50.60.81.51.0MgSZnSMgSeZnSeGaPAlAsGaAsInPInAsUVIRVisible

全組分可調:帶隙：0.63~6.2eV

(InN)(AlN)覆蓋紅外到紫外波段唯一可覆蓋紅外到紫外波長范圍的半導體體系以III-V族氮化物材料體系為例光電子器件第三代半導體5

半導體照明紫外探測可見光通信電力電子光伏新能源激光顯示高密度光存儲微波功率共性技術和工藝裝備第三代半導體材料磁電子以GaN、SiC和ZnO為核心的第三代半導體在能源、信息、環境、農業、交通、國防等領域都顯示了廣泛的應用。6以硅、鍺為代表奠定了微電子產業的基礎以砷化鎵、磷化銦為代表支撐了信息產業的發展第一代半導體（始于1950年代）第二代半導體（始于1970年代）第三代半導體（始于1990年代）氮化鎵、碳化硅（>2eV）用于半導體照明、5G移動通信、相控陣雷達、高壓智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子…第三代半導體材料發展

推動和支撐下一代產業變革微波射頻器件頻率功率1GHz10GHz100GHz10W100WGaAsInPSiCSiSiGeGaN相對于第一代和第二代半導體，第三代中的GaN和SiC的高溫、高頻、大功率、抗輻照等特性，使其在射頻微波領域有廣泛的應用8微波射頻器件0.111010010000.5151050100頻率（GHz）防空監視雷達商業通訊基站商業電信智能車輛道路系統智能車輛道路系統電子戰相控陣MCMs超高頻衛星通訊電子戰干擾發射臺EHF衛星通訊靈巧武器相控陣雷達特高頻衛星通訊電子戰干擾發射臺靈巧武器直播衛星導彈發射機SiCGaN軍口RF電子商業RF電子LMDS應用背景輸出功率（W）9電力電子器件10碳化硅、氮化鎵可以取代硅產品領域IT和消費品汽車業工業電源變壓器家用電器和電腦不間斷電源電動/混合動力車直流交流轉換器直流直流轉換器電力輸運鐵路運輸光伏逆變器艦船運輸風力渦輪<500W1-5kW30-350kW5-50kW5-100kW100kW-1MW>1MWCommercialinConfidence.KingwayCopyright?2011逆變器10耐高溫、耐高壓、開關速度快等特性，應用于智能電網、超高壓運輸變電等，有望解決和消除未來供電電網的突然斷電等問題。2003年北美大停電，損失高達300億美元。美國斷電危機例如：斷電危機——高性能固態開關的需求電力電子器件11太陽能電池分類全光譜（多結）InGaN太陽能電池以其高效和潛力受到了廣泛關注晶體硅電池薄膜電池多晶硅電池單晶硅電池CdTeCIGS硅基薄膜InGaN體系GaAs體系實驗室階段潛力無限光伏新能源14InGaN太陽能電池結構帶寬(eV)In組分效率%單層1.30.5630雙層1.1,1.70.65,0.4150多層0.7-3.41-070GaN基全光譜太陽能電池通過調整InGaN材料的In組分，帶隙可以覆蓋從近紅外到紫外的光譜范圍，與太陽光譜幾乎完美匹配。InGaN多結太陽能電池理論效率高達70%光伏新能源15其他應用領域-磁存儲電荷自由度自旋自由度半導體自旋電子學調控半導體中電子自旋自由度，以自旋作為信息的載體邏輯運算、存儲、通信三個功能集成在單個芯片上形成功能強大的CPU開發新一代低功耗、多功能、高性能、超高速半導體自旋電子器件構建固態量子比特第三代半導體自旋電子學器件——

一般電子學器件速度快3個數量級，功耗小3個數量級16半導體照明形成萬億產業電力電子形成千億產業深紫外激光器國防-電子對抗深紫外探測器

智能照明光通信全光譜太陽能電池微波激射微電子領域光電子領域核心材料GaNSiCZnO金剛石第三代半導體形成規模化生產；占領顯著的市場份額；部分達到國際領先功率器件取代Si