近年來，隨著半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及LED技術(shù)及產(chǎn)品的廣泛應(yīng)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(dǎo)體材料技術(shù)及應(yīng)用正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。
作為北京全國科技創(chuàng)新建設(shè)、京津冀協(xié)同創(chuàng)新合作的一項重要工作，近日，在京“北京市科委與順義區(qū)政府共同推進(jìn)全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)工作會”在北京市科委召開。北京市科委、順義區(qū)政府以及國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同簽署了《北京第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地建設(shè)戰(zhàn)略合作協(xié)議》;聯(lián)合創(chuàng)新基地的運營主體——北京國聯(lián)萬眾半導(dǎo)體科技創(chuàng)新中心與天津半導(dǎo)體光源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中國電谷(河北)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟三方簽署了《第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地“京津冀”共建合作協(xié)議》。
為此，記者查閱了《半導(dǎo)體照明》關(guān)于第三代半導(dǎo)體材料的文章，發(fā)現(xiàn)在2013年第11期《半導(dǎo)體照明》特別策劃中一篇南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授、 中國科學(xué)院院士鄭有炓為本刊撰寫的《第三代半導(dǎo)體材料面臨的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)》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(zhàn)略性分析仍值得我們細(xì)細(xì)品讀。鑒于本網(wǎng)以前未曾公開發(fā)布，今特全文刊發(fā)希望能對業(yè)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(yīng)用。
第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料。作為第一代半導(dǎo)體材料的鍺和硅，在國際信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的各類分立器件和應(yīng)用極為普遍的集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機(jī)、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)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(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導(dǎo)體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導(dǎo)體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體；有機(jī)半導(dǎo)體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。
第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料。在應(yīng)用方面，根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實驗室研發(fā)階段。未來將被廣泛應(yīng)用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域，以其優(yōu)異的半導(dǎo)體性能在各個現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要革新作用，應(yīng)用前景和市場潛力巨大。
1993年，第一只高亮度GaN基藍(lán)光LED誕生，實現(xiàn)了人們長期以來立足寬帶隙半導(dǎo)體材料發(fā)展高效藍(lán)光發(fā)射的愿望，展現(xiàn)寬帶隙半導(dǎo)體材料具有極其重要的實際應(yīng)用前景，隨即引發(fā)以Ⅲ族氮化物為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料的全球性研發(fā)熱潮。人們期望利用寬帶隙材料的特點，創(chuàng)新開拓時代需求的新技術(shù)。由于這類寬帶隙材料功能不同于第一代鍺、硅元素半導(dǎo)體和第二代以GaAs、InP為代表的化合物半導(dǎo)體，所以被稱為“第三代半導(dǎo)體材料”(third-generation semiconductors)。
當(dāng)前人們主要關(guān)注的寬帶隙半導(dǎo)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(jīng)過近20年的發(fā)展，以GaN，SiC為代表的新興寬帶隙材料已展現(xiàn)出極其重要的戰(zhàn)略性應(yīng)用價值，有望突破第一、二代半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展瓶頸，創(chuàng)新開拓時代需求的新技術(shù)領(lǐng)域，不僅在信息領(lǐng)域而且進(jìn)入到能源領(lǐng)域也發(fā)揮極為重要的作用。
此外，處于探索發(fā)展階段的ZnO基材料具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢：基于巨大的激子結(jié)合能(ZnO為60meV,GaN為21meV)和相應(yīng)高效率激子輻射過程，可望發(fā)展高熱穩(wěn)定性、低閾值的激子基ZnO基短波長激光器，預(yù)計工作溫度可高達(dá)550K。ZnO還具有比Si、GaAs更優(yōu)越的抗輻射性能，可用于開發(fā)具有極強(qiáng)抗輻射能力的太空紫外探測器。還有，金剛石薄膜半導(dǎo)體材料，從理論上講，具有比其他類型寬帶隙半導(dǎo)體更為優(yōu)越的電子特性：很寬的帶隙(≈5.5eV)、非常高的熱導(dǎo)率[達(dá)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(shù)(為已知半導(dǎo)體中最小值)和化學(xué)惰性以及高度抗輻射性能，應(yīng)該是發(fā)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(shù)難度大，還有很長的路要走。
第三代半導(dǎo)體材料還屬發(fā)展中的新興寬帶隙半導(dǎo)體材料。例如，近期興起的一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料--銦鎵鋅氧化物(即InGaZnO合金，簡稱IGZO)，受到人們極大的關(guān)注，IGZO-TFT 背板技術(shù)有望引領(lǐng)LED背光的液晶顯示技術(shù)，帶來一場新變革。
二、機(jī)遇與挑戰(zhàn)
社會需求是驅(qū)動新材料、新技術(shù)發(fā)展的原動力。第一代半導(dǎo)體材料是在20世紀(jì)40～50年代，第二代半導(dǎo)體材料是在20世紀(jì)60～70年代分別在不同歷史背景社會需求驅(qū)動下形成、發(fā)展起來的。當(dāng)代社會發(fā)展需求為第三代半導(dǎo)體材料帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，同時也對新興的第三代半導(dǎo)體材料提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。半個多世紀(jì)來，第一、第二代半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)已創(chuàng)建歷史輝煌，促進(jìn)了20世紀(jì)信息技術(shù)革命，推動了科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革，深入到社會各方面、各領(lǐng)域，深入到每個家庭，從根本上改變了社會生產(chǎn)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(tǒng)半導(dǎo)體材料的信息電子、電力技術(shù)的發(fā)展正逐漸趨于逼近“材料物理極限”，難于滿足新時代、新環(huán)境、新需求。例如，面對節(jié)能減排、維持世界可持續(xù)發(fā)展的全球性需求，發(fā)展高能效電-光、光-電和電-電能量轉(zhuǎn)換刻不容緩;“大數(shù)據(jù)時代”信息技術(shù);現(xiàn)代空間技術(shù)、國防技術(shù);極端條件、惡劣環(huán)境電子技術(shù)和傳感技術(shù);現(xiàn)代大型牽引電力工程;綠色可再生能源的高效電力轉(zhuǎn)換等等都提出了更高要求。第三代半導(dǎo)體材料所具有的獨特性能，有望在這些領(lǐng)域突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展瓶頸，開拓新技術(shù)應(yīng)用, 包括諸如基于第三代半導(dǎo)體材料的LED、LD發(fā)光技術(shù)、功率電子技術(shù)、微波功率技術(shù)、TFT技術(shù)、紫外探測技術(shù)和 MEMS與傳感技術(shù)等等，與第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補，對本世紀(jì)社會發(fā)展發(fā)揮重要的推動作用。
Ⅲ族氮化物L(fēng)ED發(fā)光技術(shù)、寬帶隙半導(dǎo)體功率電子技術(shù)和近年興起的IGZO氧化物半導(dǎo)體TFT技術(shù)是應(yīng)對當(dāng)前新時代、新環(huán)境、新需求的第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用的熱點領(lǐng)域。
（一）Ⅲ族氮化物L(fēng)ED發(fā)光技術(shù)--愈益展現(xiàn)廣闊發(fā)展空間
Ⅲ族氮化物半導(dǎo)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(yōu)勢：能隙極其寬廣(0.7eV～6.2 eV)，覆蓋了Ge、Si、GaAs、InP 等傳統(tǒng)材料的能隙范圍;光學(xué)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(zhǔn)太陽光光譜響應(yīng)窗口;GaN、AlN和InN三基質(zhì)材料體系全組分直接能隙，輻射復(fù)合動量守恒，輻射效率高;優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、抗腐蝕、抗輻照。因此，Ⅲ族氮化物是實現(xiàn)高效光發(fā)射的理想材料。
1993年，日亞化學(xué)工業(yè)社中村修二推出世界上第一只高亮度GaN基藍(lán)光LED，解決了自1962年LED問世以來高效藍(lán)光缺失的難題，導(dǎo)致RGB大屏幕平板全色顯示的實現(xiàn)，引領(lǐng)信息顯示技術(shù)的大變革，更為重要的是進(jìn)而引發(fā)了現(xiàn)代照明技術(shù)革命，以高效、綠色、智能照明為特色，開辟了固態(tài)照明新紀(jì)元。作為高效電-光能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，順應(yīng)全球節(jié)能減排的時代需求，使半導(dǎo)體技術(shù)從“信息領(lǐng)域”跨進(jìn)“能源領(lǐng)域”，成為節(jié)能減排的有效舉措，深受世界各國政府的高度關(guān)注。“傳統(tǒng)照明”占據(jù)了巨額能源消耗，照明效率的微細(xì)增加就可節(jié)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(qū)占總電功率的12%～13%，預(yù)計到2020年將占19%。LED照明較傳統(tǒng)照明能效有望提高50%～70%，節(jié)能效果極其可觀。例如，2008年全球436臺核電機(jī)組運行，占總發(fā)電量14%，2008年我國11臺核電上網(wǎng)發(fā)電量692億千瓦時，占全國總發(fā)電量2%。可見，節(jié)約照明能耗具有重要意義。因此，LED照明技術(shù)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(fā)展，半導(dǎo)體照明作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，已較好實現(xiàn)“一代材料”向“一代技術(shù)”再向 “一代產(chǎn)業(yè)”的轉(zhuǎn)移。2012年我國大陸地區(qū)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)達(dá)1920億元(其中上游外延芯片80億元、中游封裝320億元、下游應(yīng)用1520億元)。而2012年我國大陸地區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)銷售總額為2158.5億元，可見我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展是多么迅速。
半導(dǎo)體照明技術(shù)雖然已取得長足進(jìn)步，但如何充分發(fā)揮LED照明高效、綠色、智能化的三大特色，還有很大的提升、發(fā)展空間。歸納起來主要是如何實現(xiàn)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(qiáng)調(diào)的是降低成本。半導(dǎo)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(zhì)降低成本是永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。LED芯片在半導(dǎo)體照明產(chǎn)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(shù)的進(jìn)步，目前芯片價格已經(jīng)有很大幅度的下降;但半導(dǎo)體照明產(chǎn)品是一個照明系統(tǒng)，其成本不僅僅取決于LED芯片，還包括照明系統(tǒng)的系列構(gòu)件、部件成本。因此，降低照明系統(tǒng)構(gòu)件、部件成本將日益凸顯重要。半導(dǎo)體照明智能化是繼高能效發(fā)光之后所必須追求實現(xiàn)的另一重要目標(biāo)。智能化照明將充分發(fā)揮LED電子-空穴復(fù)合物理發(fā)光的特點，引領(lǐng)實現(xiàn)照明數(shù)字化新時代，順應(yīng)新時代照明的需求，并進(jìn)一步實現(xiàn)二次節(jié)能功能，是LED 照明的發(fā)展方向。半導(dǎo)體照明智能化需要微電子技術(shù)的支持，需要更多的企業(yè)和技術(shù)參與，實現(xiàn)微電子技術(shù)、傳感技術(shù)與LED發(fā)光技術(shù)相融合，從而也帶動微電子技術(shù)、傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
半導(dǎo)體照明的重要性日益被人共識，在2013年1月19日發(fā)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(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易，包括含汞的電池、開關(guān)、節(jié)能燈、肥皂以及化妝品等。這為LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新機(jī)遇，更加有力地推動LED照明成為整個照明發(fā)展的趨勢。因此，從產(chǎn)業(yè)角度來看，應(yīng)用又將成為驅(qū)動半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力，照明終端產(chǎn)品將會強(qiáng)勢發(fā)展，引領(lǐng)傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。目前半導(dǎo)體照明在整個照明產(chǎn)業(yè)中所占的比例僅占6%左右，因此，從照明產(chǎn)業(yè)角度尚處于發(fā)展初期，具有十分巨大的市場前景。
LED發(fā)光技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)已突破傳統(tǒng)的照明概念，并已開拓、發(fā)展LED發(fā)光新技術(shù)領(lǐng)域。沿長波方向，已從藍(lán)光拓寬到綠光、黃光、紅光，發(fā)展“超越照明”，開拓在生物、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保健、航空、航天和通信等領(lǐng)域應(yīng)用;沿短波方向，現(xiàn)已發(fā)展高效節(jié)能、環(huán)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(lǐng)紫外技術(shù)的變革，開拓紫光應(yīng)用廣闊領(lǐng)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(jī)、數(shù)字噴涂打印等領(lǐng)域;UVB-LED(280～315nm)用于醫(yī)學(xué)理療，熒光分析，藥物研發(fā)等領(lǐng)域;UVC-LED(180～280nm)作為殺菌技術(shù)(germicidal technology)，被用于空氣和水凈化、殺菌和化學(xué)/生物檢測 。
總之，以藍(lán)光LED為先導(dǎo)發(fā)展起來的Ⅲ族氮化物L(fēng)ED發(fā)光技術(shù)，愈益展現(xiàn)廣闊發(fā)展空間。藍(lán)光LED引發(fā)的半導(dǎo)體照明技術(shù)是Ⅲ族氮化物、也是第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用發(fā)展最快、進(jìn)展最大、最具發(fā)展前景的創(chuàng)新技術(shù)。由半導(dǎo)體照明引領(lǐng)的現(xiàn)代照明技術(shù)的革命，內(nèi)涵極其深遠(yuǎn)，它不是簡單地替代“舊電光源”，其意義將“與時俱進(jìn)”，將使傳統(tǒng)照明技術(shù)實現(xiàn)超越發(fā)展，對社會技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重大貢獻(xiàn)。
（二）寬帶隙半導(dǎo)體功率電子技術(shù)--將突破Si材料極限，開辟新一代功率電子技術(shù)
在現(xiàn)代社會中，電能轉(zhuǎn)化無所不在，無時不有。功率電子器件(power devices)是功率電子系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換的核心部件，器件性能對功率電子系統(tǒng)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(guān)閉狀態(tài)時能承受高電壓;導(dǎo)通狀態(tài)時具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降;開關(guān)時間短，能承受高的dI/dt和dV/dt，低的開關(guān)損耗。Si功率電子器件一直是功率電子技術(shù)的主流技術(shù)，半個多世紀(jì)來，Si器件結(jié)構(gòu)不斷更新?lián)Q代，器件性能不斷得到改善和提高，滿足了科學(xué)技術(shù)和工業(yè)社會發(fā)展的需求。今天，信息社會高度發(fā)展，高新技術(shù)日新月異，對功率電子技術(shù)提出了更高要求，不僅迫切要求進(jìn)一步提高電-電轉(zhuǎn)換能效，而且迫切提出功率大、電流強(qiáng)、頻率高、功耗低和高溫度極限等新要求。
大數(shù)據(jù)時代引領(lǐng)的變革，為功率電子技術(shù)發(fā)展帶來良好發(fā)展機(jī)遇，同時也提出了更高的要求，面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近年來,移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，實現(xiàn)了人、機(jī)、物三元世界的高度融合，導(dǎo)致社會信息數(shù)據(jù)爆炸式增長，紐約時報2012年2月13 日網(wǎng)站刊載文章，提出大數(shù)據(jù)時代降臨，信息技術(shù)正進(jìn)入“大數(shù)據(jù)時代”(age of big data)。“大數(shù)據(jù)帶來的信息風(fēng)暴正在變革我們的生活、工作和思維，大數(shù)據(jù)開啟了一次重大的時代轉(zhuǎn)型：思維變革、商業(yè)變革和管理變革”。(維克托·邁爾·舍恩伯格2010年在《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》所發(fā)文)。
大數(shù)據(jù)將為人們認(rèn)識世界和改造世界提供新的強(qiáng)有力工具，能夠更加容易地把握事物規(guī)律，更準(zhǔn)確地預(yù)測未來，而非靠經(jīng)驗和自覺。2011年，全球被復(fù)制和創(chuàng)建的數(shù)據(jù)量為1.8ZB(Z=1021),超過人類有史以來所有印刷材料的數(shù)據(jù)總量(200 PB，P=1015)。如果把1.8ZB的數(shù)據(jù)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(yù)測全球數(shù)據(jù)量大約每兩年翻一番，2015年將達(dá)到8ZB，到2020年將達(dá)到35ZB。大數(shù)據(jù)時代既為信息技術(shù)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，同時也提出新的挑戰(zhàn)。例如，需要巨大功耗支撐大數(shù)據(jù)時代超海量信息運轉(zhuǎn)，特別是數(shù)據(jù)中心需花費巨大功耗。數(shù)據(jù)中心用電和制冷費用正在以硬件費用8倍的速度增長。數(shù)據(jù)中心已經(jīng)從幾臺大型計算機(jī)的普通機(jī)房發(fā)展至數(shù)百上千臺服務(wù)器的高密度計算中心，它需要相當(dāng)于一個小城鎮(zhèn)的供電量。計算機(jī)服務(wù)器需要消耗巨大的能量來支撐整個互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，例如：2008年谷歌(Google)服務(wù)器系統(tǒng)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(dāng)于二氧化碳排放量2144萬噸，其中基站用空調(diào)年耗電量達(dá)70億度，相當(dāng)于二氧化碳排放量750.67萬噸。據(jù)統(tǒng)計，2008年全球用于無線信息系統(tǒng)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(xiàn)有的技術(shù)，5年后用于各種數(shù)據(jù)系統(tǒng)的能耗將相當(dāng)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(shù)可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，降低能耗是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。
此外，當(dāng)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(shè)備和國防軍事裝備等對功率電子技術(shù)有更苛刻的要求，需要高能效的電-電轉(zhuǎn)換、特高電壓、特大電流的功率電子技術(shù)。
另一方面，功率電子裝備輕量化、小型化，是目前高新技術(shù)發(fā)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(guān)速度，例如，開關(guān)電源(switching mode powersupplies，SMPS)。功率電子器件是“開關(guān)電源”的核心部件，在開關(guān)電源中通過控制電路對輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，實現(xiàn)DC/AC或DC/DC電壓變換以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓，為現(xiàn)代用電系統(tǒng)提供高效電源。
因為Si功率電子技術(shù)性能的提升已逐漸接近“硅材料極限”，Si功率電子技術(shù)很難滿足如上所述新時代和新環(huán)境的新要求。發(fā)展新一代功率電子技術(shù)--第三代半導(dǎo)體功率電子技術(shù)，或稱作“寬帶隙功率電子技術(shù)”，有望突破“硅材料極限”。第三代半導(dǎo)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(shù)和高熱導(dǎo)率等特性，是發(fā)展新一代功率電子器件的優(yōu)選材料。制成的SiC、GaN基功率電子器件具有關(guān)態(tài)耐壓高、通態(tài)比電阻低、工作頻率高等優(yōu)勢，是一類開關(guān)損耗小和耐高溫工作能力強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)通電阻提高到25.9mΩ，卻約是同類硅器件的1/300。更低的導(dǎo)通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導(dǎo)通損耗，從而能獲得更高的整機(jī)效率。碳化硅器件的極限工作溫度有望達(dá)到600℃以上，硅器件的最大結(jié)溫僅為150℃，而且碳化硅器件抗輻射能力較強(qiáng)，在航空等領(lǐng)域應(yīng)用可以減輕輻射屏蔽設(shè)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(lǐng)域各有應(yīng)用優(yōu)勢：SiC 主要適合用于大電力領(lǐng)域(千伏以上)，GaN 適合用于低電力(千伏以下)、轉(zhuǎn)換速度較快領(lǐng)域和替代現(xiàn)有的Si功率器件的廣闊領(lǐng)域。GaN功率器件與Si的IGBT和MOSFET相比，電能損耗較小且可實現(xiàn)小型化，可廣泛用于功率因子校正、電機(jī)驅(qū)動，以及空調(diào)和電磁爐等家電產(chǎn)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(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)器，以及工業(yè)設(shè)備中使用的輸出功率為數(shù)千瓦～數(shù)十千瓦的電力轉(zhuǎn)換器等廣闊領(lǐng)域，近來受到業(yè)界的關(guān)注。
可見，寬帶隙功率電子技術(shù)具有功率密度大、電流強(qiáng)、頻率高、功耗低和高溫度極限的特點，能滿足當(dāng)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)社會發(fā)展的需求，以及新時代、新環(huán)境的要求。但與成熟的Si 相比，SiC和GaN屬發(fā)展中的新興材料。發(fā)展寬帶隙功率電子技術(shù)無論在材料、器件方面都還面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，材料襯底、器件性能、制造成本三者密切相關(guān)，必須從應(yīng)用需求出發(fā)，做統(tǒng)籌決策。
（三）氧化物半導(dǎo)體TFT 技術(shù)--引領(lǐng)LED背光液晶顯示技術(shù)新發(fā)展
平板顯示是人機(jī)聯(lián)系和信息展示的窗口，對現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。平板顯示技術(shù)發(fā)展日新月異，TFT-LCD是目前平板顯示應(yīng)用的主流技術(shù)。近年來，以iPhone和iPad為先導(dǎo)的智能手機(jī)和平板電腦的問世，引發(fā)智能移動終端技術(shù)迅猛發(fā)展，從簡單的通話工具變?yōu)橐粋€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(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到智能移動終端上完成。因此，發(fā)展超低功耗、超高分辨和超快響應(yīng)的顯示技術(shù)，顯得日益重要。這為平板顯示技術(shù)發(fā)展帶來了新機(jī)遇，同時TFT-LCD顯示技術(shù)又面臨新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
銦鎵鋅氧化物(IGZO)是一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，近年來被成功地應(yīng)用在LED背光液晶顯示的TFT驅(qū)動技術(shù)上，有望給LED背光的液晶顯示技術(shù)帶來一場新變革。IGZO-TFT背板相比當(dāng)前主流的α-Si TFT背板，具有以下系列優(yōu)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(xì)化技術(shù)，TFT面積可降低到α-SiTFT面積的1/4 ;背板的分辨率可達(dá)α-Si背板的2倍以上，且響應(yīng)速度快，具備實現(xiàn)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(tài)畫面刷新頻率可由現(xiàn)行的30～50Hz減少到2～5Hz, 相應(yīng)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(jìn)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(shù)兼容性好，可利用現(xiàn)有的高世代面板生產(chǎn)線進(jìn)行轉(zhuǎn)產(chǎn)。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(qū)動技術(shù)，即IGZO-TFT LED液晶顯示技術(shù)(簡稱IGZO-TFT背板技術(shù))，將廣泛應(yīng)用于電視、智能手機(jī)和平板電腦等各種顯示和智能移動終端設(shè)備。IGZO-TFT背板技術(shù)的最大優(yōu)勢在于低功耗，其顯示屏的能耗與目前最先進(jìn)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(fù)載下，系統(tǒng)(CPU+硬盤等)的能耗和顯示(背光+驅(qū)動等)的能耗比例約為1∶1;這樣算來，如能使用IGZOTFT背板技術(shù)，個人平板電腦將節(jié)能25%以上，這對iPad等靠電池工作的移動便攜設(shè)備來說意義就更大。此外，IGZO-TFT 驅(qū)動技術(shù)還有望用于有源矩陣OLED(AMOLED)面板，可實現(xiàn)無需LED 背光的超低功耗、高響應(yīng)速度、高對比度、廣視角和柔性的顯示屏技術(shù)。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(xiàn)低成本的智能化玻璃面板(system on glass)提供了新的技術(shù)途徑。
由于IGZO-TFT背板技術(shù)具有如上所述的諸多優(yōu)點，成為近年來國際上的研發(fā)熱點，但也面臨嚴(yán)峻技術(shù)挑戰(zhàn)：IGZO材料尚處于發(fā)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(tài)密度，界面問題復(fù)雜，嚴(yán)重影響α-IGZO TFT器件的穩(wěn)定性和可靠性;另外，IGZO-TFT技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化還不夠成熟，尚待研究開發(fā)，目前國際上只有少數(shù)幾家公司做得相對較好。
三、結(jié)束語
第三代半導(dǎo)體材料作為繼第一代鍺、硅元素半導(dǎo)體和第二代以GaAs、InP為代表的化合物半導(dǎo)體之后發(fā)展起來的新興半導(dǎo)體材料，已經(jīng)展現(xiàn)出極其重要和具有戰(zhàn)略性的應(yīng)用價值，有望突破第一、二代半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的一些發(fā)展瓶頸，創(chuàng)新開拓時代需求的新技術(shù)領(lǐng)域，不僅在信息領(lǐng)域而且進(jìn)入到能源領(lǐng)域發(fā)揮極為重要的作用。但第三代半導(dǎo)體材料尚屬發(fā)展中的新興材料，面對高度發(fā)展的信息社會和工業(yè)、經(jīng)濟(jì)社會日新月異的應(yīng)用需求，第三代半導(dǎo)體材料必將在應(yīng)用中發(fā)展、成熟，與第一代、第二代半導(dǎo)體材料形成優(yōu)勢互補，為本世紀(jì)技術(shù)、工業(yè)和社會的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。——本文選自2013年第11期《半導(dǎo)體照明》。
