上世紀(jì)40年代末50年代中，以Si為代表的第一代半導(dǎo)體材料研制成功，晶體管和集成電路的發(fā)明，帶來了電子工業(yè)大革命，由它拉動(dòng)產(chǎn)值高達(dá)數(shù)萬億美元的電子產(chǎn)品。

上世紀(jì)60年代以GaAs、InP為代表的第二代半導(dǎo)體發(fā)展和應(yīng)用，半導(dǎo)體激光器的發(fā)明以及光學(xué)纖維研制成功，使人類進(jìn)入光纖通信、移動(dòng)通信和高速因特網(wǎng)時(shí)代。實(shí)現(xiàn)了“秀才不出門，便知天下是”的夢(mèng)想。

二十一世紀(jì)以來，第三代半導(dǎo)體材料逐漸嶄露頭角。第三代半導(dǎo)體材料具備熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速度高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、抗輻照、耐腐蝕等特性，是理想的微電子和光電子器件的基礎(chǔ)材料。

“尤其在半導(dǎo)體白光照明，光伏發(fā)電，高頻、大功率微電子器件，電力電子器件和紫外、深紫外光電探測(cè)器件等方面有著重要的應(yīng)用前景，是目前材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和前沿?！蓖跽紘菏空f。

第三代半導(dǎo)體材料主要包括以GaN為代表的III-V族氮化物、SiC、氧化物半導(dǎo)體（ZnO、β-Ga₂o₃）和金剛石等。它們都是寬帶隙半導(dǎo)體材料。

GaN基材料或?qū)⒂|發(fā)照明光源革命

GaN基材料包括 GaN、AlGaN、InGaN、和AlN等，屬纖鋅礦結(jié)構(gòu)，直接帶隙，禁帶寬度在3.4eV-6.2eV之間。GaN體單晶通常采用高溫、高壓氨熱法制備。王占國院士表示，目前尚無大塊體單晶材料生長成功的報(bào)道。

據(jù)悉，GaN基光電子器件，特別是GaN基藍(lán)、綠和紫光激光器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2019年產(chǎn)值已達(dá)2億美元，目前產(chǎn)值估計(jì)可達(dá)百億，已經(jīng)形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片制造、芯片封裝及LED產(chǎn)品應(yīng)用等完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在白光照明、汽車照明和彩色大屏幕顯示等得到了廣泛的應(yīng)用。

王占國院士表示，GaN基半導(dǎo)體材料目前的研發(fā)存在3大難題：第一，GaN基塊體材料由于需要在高溫、高壓條件下合成，制備難度很大；第二，具有單極性摻雜特征，AlN、AlGaN、GaN 高濃度的P型雜質(zhì)困難；第三，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量有待提高。盡管GaN基微結(jié)構(gòu)材料是在大失配的異質(zhì)襯底上生長，缺陷密度很高，但通過圖形化襯底、范得瓦生長和二維中間層生長技術(shù)等，缺陷密度可降低大約一個(gè)量級(jí)，器件性能得到明顯提高。

基于GaN基材料的發(fā)光器件，未來將走進(jìn)千家萬戶，觸發(fā)照明光源的革命；采用轉(zhuǎn)換效率高的Ｅ類或Ｆ類GaN基微波大功率放大器（HEMT），在雷達(dá)、5G微波通訊等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

SiC已形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，但仍缺高端產(chǎn)品

SiC具有170余種結(jié)構(gòu)，常用的是4H和6H-SiC，為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具備熱導(dǎo)率高、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高的特性，并具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性。

SiC基器件在半導(dǎo)體白光照明、電力電子器件、雙極型功率器件BJT、IGBT等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。SiC基材料將成為高溫、高壓、大功率電力電子器件的核心，在風(fēng)電、光伏發(fā)電、艦船、智能電網(wǎng)和軌道交通等起著不可替代的作用。

王占國院士指出，“盡管我國在SiC電力電子產(chǎn)業(yè)方面已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，但仍然缺乏高端產(chǎn)品?！?/strong>

ZnO光電器件研究陷摻雜等瓶頸

ZnO半導(dǎo)體材料熱力學(xué)穩(wěn)定，壓電特性強(qiáng)，且對(duì)可見光透明。

王占國院士表示，ZnO（3.437eV）與其它寬帶隙半導(dǎo)體材料相比，具有較高的激子束縛能（60meV）、室溫以上高效發(fā)光、極好的抗輻照性能，以及低的外延生長溫度和大尺寸單晶襯底以及價(jià)廉等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有望用于UV發(fā)光二極管與低閾值激光器、UV探測(cè)器、汽車尾氣純化、非可視通信和生物傳感器以及抗輻照太空探測(cè)器等領(lǐng)域。

新型ZnO基光電器件的研制，曾受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。但ZnO制備仍存3大難點(diǎn)：塊狀單晶缺陷多、完整性差；MOVCD同質(zhì)和異質(zhì)外延進(jìn)展緩慢；加之P型摻雜困難等，光電器件研究受阻。

氧化鎵是日盲深紫外探測(cè)器的理想材料

氧化鎵是一種深紫外透明半導(dǎo)體氧化物, 直接帶隙，帶隙4.9eV左右，氧化鎵在280nm-1100nm范圍內(nèi)是高度透明的。氧化鎵具有單斜結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，其熔點(diǎn)大約為1820℃。

通過摻雜錫與硅等可以將控制材料的N型載流子濃度在1016~1019cm-3之間?！澳壳斑€沒有關(guān)于P型氧化鎵的報(bào)道?！蓖跽紘菏勘硎尽?/p>

氧化鎵有5種同分異構(gòu)體,包括α-、β-、γ、δ、ε-相。在這些晶型中，氧化鎵（β-Ga₂O₃）是熱力學(xué)上最穩(wěn)定的相，而其它的晶型都屬于亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)。

目前，氧化鎵在液晶顯示器、太陽能電池、半導(dǎo)體照明等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)，氧化鎵是制備“太陽盲”深紫外探測(cè)器的理想材料。

“氧化鎵材料及器件還存在著晶體質(zhì)量差、P型摻雜等問題，器件的性能距實(shí)用化還有一定的距離。”王占國院士說。

鈣鈦礦基半導(dǎo)體材料已應(yīng)用于光伏行業(yè)

鈣鈦礦材料晶體結(jié)構(gòu)由BX₆八面體結(jié)構(gòu)和AX₁₂立方八面體結(jié)構(gòu)嵌套構(gòu)成。

鈣鈦礦基太陽能光伏電池技術(shù)近年來發(fā)展迅速，2009年首次報(bào)道時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率僅為3.8%，2014年已經(jīng)達(dá)到了20.1%，2020年達(dá)到了27.7%。

王占國院士表示，這得益于鈣鈦礦型材料禁帶可調(diào)控，載流子的雙極輸運(yùn)、高遷移率和長壽命，制備方法簡單多樣，低成本低能耗等。但是鈣鈦礦電池的吸收層含毒性物質(zhì)Pb，且大面積均勻性和穩(wěn)定性尚存問題，必須重視這些問題。

“終極半導(dǎo)體”國內(nèi)研發(fā)投入不足

金剛石已有兩千多年的歷史。隨著上世紀(jì)五、六十年代高壓和CVD合成金剛石技術(shù)相繼問世，特別是八十年代快速生長的MPCVD技術(shù)的成熟，探索半導(dǎo)體金剛石的特性才成為可能。

王占國院士表示，半導(dǎo)體金剛石集光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、耐蝕等方面的優(yōu)異性能于一身，被稱為“終極半導(dǎo)體”。半導(dǎo)體金剛石在微電子、光電子、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、航空航天、核能等高科技領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用前景，是目前材料科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)之一。

王占國院士指出，半導(dǎo)體金剛石仍存摻雜難題，主要表現(xiàn)為：第一，金剛石的晶格常數(shù)小，摻雜原子的引入會(huì)引起晶格畸變，所以絕大多數(shù)外來原子很難嵌入金剛石晶格；第二，摻雜原子在禁帶中的能級(jí)較深，不易電離；第三，P型半導(dǎo)體金剛石可通過受主雜質(zhì)硼(B)摻雜獲得，能級(jí)位于價(jià)帶頂以上0.37eV處。

半導(dǎo)體金剛石器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋盒ぬ鼗O管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、金剛石單晶PIN深紫外發(fā)光二極管、單光子光源、高能粒子探測(cè)器、化學(xué)和生物傳感器等。

被稱為“終極半導(dǎo)體”的金剛石晶體材料和器件，已成為國際材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。王占國院士表示，遺憾的是，我國對(duì)半導(dǎo)體金剛石的支持力度很小，5年的研發(fā)經(jīng)費(fèi)之和僅為1700萬元。

主題演講結(jié)束后，線上觀眾紛紛提出問題，王占國院士耐心地進(jìn)行了答疑解惑。以下為精選的5個(gè)回答：

Q1：請(qǐng)問碳化硅晶體制備技術(shù)成熟嗎？尤其8英寸以上的？

王占國院士：我國SiC 研究成績喜人，6HSiC 6英寸基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，8英寸規(guī)模生產(chǎn)時(shí)日可待。但高質(zhì)量、大尺寸的4HSiC尚須努力！更大尺寸的SiC我認(rèn)為目前尚不明確！

Q2：前段時(shí)間日本發(fā)布消息，成功研制出金剛石晶圓。王院士您怎么看？

王占國院士：日本在半導(dǎo)體金剛石研究方面國際領(lǐng)先，我認(rèn)為日本已具備2英寸半導(dǎo)體金剛石晶圓的條件。我的一個(gè)學(xué)生是金剛石器件研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一。

Q3：請(qǐng)教碳化硅、金剛石半導(dǎo)體在大功率及大面積半導(dǎo)體器件上的各自優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

王占國院士：4H-SiC 在制備高功率BJT和IGBT 等方面，在國際上比較成熟，多用作逆變器，工作頻率不是很高，金剛石則不然，如能解決高質(zhì)量、大面積半導(dǎo)體金剛石薄膜和N 型摻雜，超高頻率、大功率微電子器件即可實(shí)現(xiàn)，不過這僅是從理論上來說，現(xiàn)實(shí)尚不能實(shí)現(xiàn)。

Q4：第三代半導(dǎo)體功率器件會(huì)用到高導(dǎo)熱系數(shù)燒結(jié)銀漿嗎？

王占國院士：就我所知，大功率微電子和光電子器件多采用導(dǎo)熱良好的紫銅、金剛石等塊財(cái)鍍金然后在其表面引出電極，少見用銀漿的。

Q5：SiC功率器件與傳統(tǒng)Si功率器件發(fā)展前景，您可以分享一下嗎？

王占國院士：SiC 和Si 功率器件，用于逆變器方面，各有千秋。Si 成熟、價(jià)廉 用于中、小功率方面 如白色家電和不間斷電源等；SiC 用于電車、風(fēng)電、高鐵、高壓輸電等逆變器。