王占国院士：技术瓶颈亟待突破，我国第三代半导体材料研发任重道远

在由新材料在线®、寻材问料®、有材®、新材料企业家成长营共同举办的《百大名师系列在线课程》上，83岁高龄的中国科学院院士王占国做了《第三代半导体材料及应用》的主题报告。

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“古稀之年”的半导体材料发展正当时

上世纪40年代末50年代中，以Si为代表的第一代半导体材料研制成功，晶体管和集成电路的发明，带来了电子工业大革命，由它拉动产值高达数万亿美元的电子产品。

上世纪60年代以GaAs、InP为代表的第二代半导体发展和应用，半导体激光器的发明以及光学纤维研制成功，使人类进入光纤通信、移动通信和高速因特网时代。实现了“秀才不出门，便知天下是”的梦想。

二十一世纪以来，第三代半导体材料逐渐崭露头角。第三代半导体材料具备热导率高、电子饱和漂移速度高、热稳定性和化学稳定性好、抗辐照、耐腐蚀等特性，是理想的微电子和光电子器件的基础材料。

“尤其在半导体白光照明，光伏发电，高频、大功率微电子器件，电力电子器件和紫外、深紫外光电探测器件等方面有着重要的应用前景，是目前材料科学领域研究的热点和前沿。”王占国院士说。

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关键技术瓶颈亟待突破

第三代半导体材料主要包括以GaN为代表的III-V族氮化物、SiC、氧化物半导体（ZnO、β-Ga2o3）和金刚石等。它们都是宽带隙半导体材料。

GaN基材料或将触发照明光源革命

GaN基材料包括 GaN、AlGaN、InGaN、和AlN等，属纤锌矿结构，直接带隙，禁带宽度在3.4eV-6.2eV之间。GaN体单晶通常采用高温、高压氨热法制备。王占国院士表示，目前尚无大块体单晶材料生长成功的报道。

据悉，GaN基光电子器件，特别是GaN基蓝、绿和紫光激光器产业发展迅速，2019年产值已达2亿美元，目前产值估计可达百亿，已经形成了包括LED外延片的生产、LED芯片制造、芯片封装及LED产品应用等完整的产业链，在白光照明、汽车照明和彩色大屏幕显示等得到了广泛的应用。

王占国院士表示，GaN基半导体材料目前的研发存在3大难题：第一，GaN基块体材料由于需要在高温、高压条件下合成，制备难度很大；第二，具有单极性掺杂特征，AlN、AlGaN、GaN 高浓度的P型杂质困难；第三，异质结构材料质量有待提高。尽管GaN基微结构材料是在大失配的异质衬底上生长，缺陷密度很高，但通过图形化衬底、范得瓦生长和二维中间层生长技术等，缺陷密度可降低大约一个量级，器件性能得到明显提高。

基于GaN基材料的发光器件，未来将走进千家万户，触发照明光源的革命；采用转换效率高的Ｅ类或Ｆ类GaN基微波大功率放大器（HEMT），在雷达、5G微波通讯等领域有重要应用前景。

SiC已形成完整产业链，但仍缺高端产品

SiC具有170余种结构，常用的是4H和6H-SiC，为纤锌矿结构，具备热导率高、临界击穿电场强度高的特性，并具有极好的化学稳定性。

SiC基器件在半导体白光照明、电力电子器件、双极型功率器件BJT、IGBT等领域已得到了广泛的应用。SiC基材料将成为高温、高压、大功率电力电子器件的核心，在风电、光伏发电、舰船、智能电网和轨道交通等起着不可替代的作用。

王占国院士指出，“尽管我国在SiC电力电子产业方面已形成完整的产业链，但仍然缺乏高端产品。”

ZnO光电器件研究陷掺杂等瓶颈

ZnO半导体材料热力学稳定，压电特性强，且对可见光透明。

王占国院士表示，ZnO（3.437eV）与其它宽带隙半导体材料相比，具有较高的激子束缚能（60meV）、室温以上高效发光、极好的抗辐照性能，以及低的外延生长温度和大尺寸单晶衬底以及价廉等独特的优点，有望用于UV发光二极管与低阈值激光器、UV探测器、汽车尾气纯化、非可视通信和生物传感器以及抗辐照太空探测器等领域。

新型ZnO基光电器件的研制，曾受到国内外广泛的关注。但ZnO制备仍存3大难点：块状单晶缺陷多、完整性差；MOVCD同质和异质外延进展缓慢；加之P型掺杂困难等，光电器件研究受阻。

氧化镓是日盲深紫外探测器的理想材料

氧化镓是一种深紫外透明半导体氧化物, 直接带隙，带隙4.9eV左右，氧化镓在280nm-1100nm范围内是高度透明的。氧化镓具有单斜结构和优良的化学和热稳定性，其熔点大约为1820℃。

通过掺杂锡与硅等可以将控制材料的N型载流子浓度在1016~1019cm-3之间。“目前还没有关于P型氧化镓的报道。”王占国院士表示。

氧化镓有5种同分异构体,包括α-、β-、γ、δ、ε-相。在这些晶型中，氧化镓（β-Ga2O3）是热力学上最稳定的相，而其它的晶型都属于亚稳态晶体结构。

目前，氧化镓在液晶显示器、太阳能电池、半导体照明等领域有着广泛的应用前景，已成为材料科学研究的热点之一。同时，氧化镓是制备“太阳盲”深紫外探测器的理想材料。

“氧化镓材料及器件还存在着晶体质量差、P型掺杂等问题，器件的性能距实用化还有一定的距离。”王占国院士说。

钙钛矿基半导体材料已应用于光伏行业

钙钛矿材料晶体结构由BX6八面体结构和AX12立方八面体结构嵌套构成。

钙钛矿基太阳能光伏电池技术近年来发展迅速，2009年首次报道时光电转换效率仅为3.8%，2014年已经达到了20.1%，2020年达到了27.7%。

王占国院士表示，这得益于钙钛矿型材料禁带可调控，载流子的双极输运、高迁移率和长寿命，制备方法简单多样，低成本低能耗等。但是钙钛矿电池的吸收层含毒性物质Pb，且大面积均匀性和稳定性尚存问题，必须重视这些问题。

“终极半导体”国内研发投入不足

金刚石已有两千多年的历史。随着上世纪五、六十年代高压和CVD合成金刚石技术相继问世，特别是八十年代快速生长的MPCVD技术的成熟，探索半导体金刚石的特性才成为可能。

王占国院士表示，半导体金刚石集光学、电学、热学、力学、耐蚀等方面的优异性能于一身，被称为“终极半导体”。半导体金刚石在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高科技领域中有重要的应用前景，是目前材料科学研究的前沿和热点之一。

王占国院士指出，半导体金刚石仍存掺杂难题，主要表现为：第一，金刚石的晶格常数小，掺杂原子的引入会引起晶格畸变，所以绝大多数外来原子很难嵌入金刚石晶格；第二，掺杂原子在禁带中的能级较深，不易电离；第三，P型半导体金刚石可通过受主杂质硼(B)掺杂获得，能级位于价带顶以上0.37eV处。

半导体金刚石器件的主要应用领域为：肖特基二极管、场效应晶体管、金刚石单晶PIN深紫外发光二极管、单光子光源、高能粒子探测器、化学和生物传感器等。

被称为“终极半导体”的金刚石晶体材料和器件，已成为国际材料科学研究的热点。王占国院士表示，遗憾的是，我国对半导体金刚石的支持力度很小，5年的研发经费之和仅为1700万元。

主题演讲结束后，线上观众纷纷提出问题，王占国院士耐心地进行了答疑解惑。以下为精选的5个回答：

Q1：请问碳化硅晶体制备技术成熟吗？尤其8英寸以上的？

王占国院士：我国SiC 研究成绩喜人，6HSiC 6英寸基本实现了产业化，8英寸规模生产时日可待。但高质量、大尺寸的4HSiC尚须努力！更大尺寸的SiC我认为目前尚不明确！

Q2：前段时间日本发布消息，成功研制出金刚石晶圆。王院士您怎么看？

王占国院士：日本在半导体金刚石研究方面国际领先，我认为日本已具备2英寸半导体金刚石晶圆的条件。我的一个学生是金刚石器件研究项目的负责人之一。

Q3：请教碳化硅、金刚石半导体在大功率及大面积半导体器件上的各自优缺点是什么？

王占国院士：4H-SiC 在制备高功率BJT和IGBT 等方面，在国际上比较成熟，多用作逆变器，工作频率不是很高，金刚石则不然，如能解决高质量、大面积半导体金刚石薄膜和N 型掺杂，超高频率、大功率微电子器件即可实现，不过这仅是从理论上来说，现实尚不能实现。

Q4：第三代半导体功率器件会用到高导热系数烧结银浆吗？

王占国院士：就我所知，大功率微电子和光电子器件多采用导热良好的紫铜、金刚石等块财镀金然后在其表面引出电极，少见用银浆的。

Q5：SiC功率器件与传统Si功率器件发展前景，您可以分享一下吗？

王占国院士：SiC 和Si 功率器件，用于逆变器方面，各有千秋。Si 成熟、价廉 用于中、小功率方面 如白色家电和不间断电源等；SiC 用于电车、风电、高铁、高压输电等逆变器。