近年来，随着半导体照明产业的迅猛发展以及LED技术及产品的广泛应用，支撑LED光电器件的核心材料氮化镓(GaN)以及碳化硅(SiC)等宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料技术及应用正在成为全球半导体产业新的战略高地。
作为北京全国科技创新建设、京津冀协同创新合作的一项重要工作，近日，在京“北京市科委与顺义区政府共同推进全国科技创新中心建设工作会”在北京市科委召开。北京市科委、顺义区政府以及国家半导体照明工程研发及产业联盟共同签署了《北京第三代半导体材料及应用联合创新基地建设战略合作协议》;联合创新基地的运营主体——北京国联万众半导体科技创新中心与天津半导体光源系统产业技术创新战略联盟、中国电谷(河北)第三代半导体产业技术创新战略联盟三方签署了《第三代半导体材料及应用联合创新基地“京津冀”共建合作协议》。
为此，记者查阅了《半导体照明》关于第三代半导体材料的文章，发现在2013年第11期《半导体照明》特别策划中一篇南京大学电子科学与工程学院教授、 中国科学院院士郑有炓为本刊撰写的《第三代半导体材料面临的发展机遇与挑战》文章，虽然是郑有炓院士2013年所写，但从今天看来，该文的前瞻性和战略性分析仍值得我们细细品读。鉴于本网以前未曾公开发布，今特全文刊发希望能对业界有个参考。全文如下：
一、前言
一代材料，一代器件，一代装备，一代应用。
第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。作为第一代半导体材料的锗和硅，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。
第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。
第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。未来将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。
1993年，第一只高亮度GaN基蓝光LED诞生，实现了人们长期以来立足宽带隙半导体材料发展高效蓝光发射的愿望，展现宽带隙半导体材料具有极其重要的实际应用前景，随即引发以Ⅲ族氮化物为代表的宽禁带半导体材料的全球性研发热潮。人们期望利用宽带隙材料的特点，创新开拓时代需求的新技术。由于这类宽带隙材料功能不同于第一代锗、硅元素半导体和第二代以GaAs、InP为代表的化合物半导体，所以被称为“第三代半导体材料”(third-generation semiconductors)。
当前人们主要关注的宽带隙半导体材料包括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与金刚石等三类材料。经过近20年的发展，以GaN，SiC为代表的新兴宽带隙材料已展现出极其重要的战略性应用价值，有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈，创新开拓时代需求的新技术领域，不仅在信息领域而且进入到能源领域也发挥极为重要的作用。
此外，处于探索发展阶段的ZnO基材料具有潜在的应用优势：基于巨大的激子结合能(ZnO为60meV,GaN为21meV)和相应高效率激子辐射过程，可望发展高热稳定性、低阈值的激子基ZnO基短波长激光器，预计工作温度可高达550K。ZnO还具有比Si、GaAs更优越的抗辐射性能，可用于开发具有极强抗辐射能力的太空紫外探测器。还有，金刚石薄膜半导体材料，从理论上讲，具有比其他类型宽带隙半导体更为优越的电子特性：很宽的带隙(≈5.5eV)、非常高的热导率[达20W/(cm·K)]、极高的临界击穿电场(107V/cm)、非常高的电子饱和漂移速度和载流子迁移率、很小的介电常数(为已知半导体中最小值)和化学惰性以及高度抗辐射性能，应该是发展高温、高功率、高频电子器件的最理想材料。但金刚石薄膜材料制备技术难度大，还有很长的路要走。
第三代半导体材料还属发展中的新兴宽带隙半导体材料。例如，近期兴起的一种新型宽禁带半导体材料--铟镓锌氧化物(即InGaZnO合金，简称IGZO)，受到人们极大的关注，IGZO-TFT 背板技术有望引领LED背光的液晶显示技术，带来一场新变革。
二、机遇与挑战
社会需求是驱动新材料、新技术发展的原动力。第一代半导体材料是在20世纪40～50年代，第二代半导体材料是在20世纪60～70年代分别在不同历史背景社会需求驱动下形成、发展起来的。当代社会发展需求为第三代半导体材料带来了新的发展机遇，同时也对新兴的第三代半导体材料提出了严峻挑战。半个多世纪来，第一、第二代半导体科学技术已创建历史辉煌，促进了20世纪信息技术革命，推动了科学技术进步、社会产业结构变革，深入到社会各方面、各领域，深入到每个家庭，从根本上改变了社会生产方式和人们的生活方式，给整个社会带来了不可估量的影响。但是，基于传统半导体材料的信息电子、电力技术的发展正逐渐趋于逼近“材料物理极限”，难于满足新时代、新环境、新需求。例如，面对节能减排、维持世界可持续发展的全球性需求，发展高能效电-光、光-电和电-电能量转换刻不容缓;“大数据时代”信息技术;现代空间技术、国防技术;极端条件、恶劣环境电子技术和传感技术;现代大型牵引电力工程;绿色可再生能源的高效电力转换等等都提出了更高要求。第三代半导体材料所具有的独特性能，有望在这些领域突破传统半导体技术的发展瓶颈，开拓新技术应用, 包括诸如基于第三代半导体材料的LED、LD发光技术、功率电子技术、微波功率技术、TFT技术、紫外探测技术和 MEMS与传感技术等等，与第一代、第二代半导体技术互补，对本世纪社会发展发挥重要的推动作用。
Ⅲ族氮化物LED发光技术、宽带隙半导体功率电子技术和近年兴起的IGZO氧化物半导体TFT技术是应对当前新时代、新环境、新需求的第三代半导体材料应用的热点领域。
（一）Ⅲ族氮化物LED发光技术--愈益展现广阔发展空间
Ⅲ族氮化物半导体(III-nitrides)是由GaN、AlN和InN及其合金组成的材料体系，具有独特的材料优势：能隙极其宽广(0.7eV～6.2 eV)，覆盖了Ge、Si、GaAs、InP 等传统材料的能隙范围;光学窗口(1.77μm～0.20μm)覆盖从近红外-深紫外的宽广光谱范围，包括准太阳光光谱响应窗口;GaN、AlN和InN三基质材料体系全组分直接能隙，辐射复合动量守恒，辐射效率高;优异的物理、化学稳定性，耐高温、抗腐蚀、抗辐照。因此，Ⅲ族氮化物是实现高效光发射的理想材料。
1993年，日亚化学工业社中村修二推出世界上第一只高亮度GaN基蓝光LED，解决了自1962年LED问世以来高效蓝光缺失的难题，导致RGB大屏幕平板全色显示的实现，引领信息显示技术的大变革，更为重要的是进而引发了现代照明技术革命，以高效、绿色、智能照明为特色，开辟了固态照明新纪元。作为高效电-光能量转换技术，顺应全球节能减排的时代需求，使半导体技术从“信息领域”跨进“能源领域”，成为节能减排的有效举措，深受世界各国政府的高度关注。“传统照明”占据了巨额能源消耗，照明效率的微细增加就可节省巨额能源。国际上“照明”耗能约占总电功率的20%，目前我国大陆地区占总电功率的12%～13%，预计到2020年将占19%。LED照明较传统照明能效有望提高50%～70%，节能效果极其可观。例如，2008年全球436台核电机组运行，占总发电量14%，2008年我国11台核电上网发电量692亿千瓦时，占全国总发电量2%。可见，节约照明能耗具有重要意义。因此，LED照明技术受到世界各国政府重视，在政策激励和扶持下，已取得高速发展，半导体照明作为战略性新兴产业得到了蓬勃发展，已较好实现“一代材料”向“一代技术”再向 “一代产业”的转移。2012年我国大陆地区半导体照明产业达1920亿元(其中上游外延芯片80亿元、中游封装320亿元、下游应用1520亿元)。而2012年我国大陆地区集成电路产业销售总额为2158.5亿元，可见我国半导体照明产业发展是多么迅速。
半导体照明技术虽然已取得长足进步，但如何充分发挥LED照明高效、绿色、智能化的三大特色，还有很大的提升、发展空间。归纳起来主要是如何实现高能效照明、人性化照明、低成本的照明和智能化的照明，尤其要强调的是降低成本。半导体照明惠及全民，是人们的日常生活用品，必须价廉物美，提高品质降低成本是永远追求的目标。LED芯片在半导体照明产品成本中所占的比例过去长期居高不下，近年来随着LED技术的进步，目前芯片价格已经有很大幅度的下降;但半导体照明产品是一个照明系统，其成本不仅仅取决于LED芯片，还包括照明系统的系列构件、部件成本。因此，降低照明系统构件、部件成本将日益凸显重要。半导体照明智能化是继高能效发光之后所必须追求实现的另一重要目标。智能化照明将充分发挥LED电子-空穴复合物理发光的特点，引领实现照明数字化新时代，顺应新时代照明的需求，并进一步实现二次节能功能，是LED 照明的发展方向。半导体照明智能化需要微电子技术的支持，需要更多的企业和技术参与，实现微电子技术、传感技术与LED发光技术相融合，从而也带动微电子技术、传感技术产业的发展。
半导体照明的重要性日益被人共识，在2013年1月19日发布的防治汞污染的国际公约中，各国政府同意在2020年之前禁止一系列含汞产品的生产和贸易，包括含汞的电池、开关、节能灯、肥皂以及化妆品等。这为LED照明产业发展带来新机遇，更加有力地推动LED照明成为整个照明发展的趋势。因此，从产业角度来看，应用又将成为驱动半导体照明产业发展的新动力，照明终端产品将会强势发展，引领传统照明产业实现转型升级。目前半导体照明在整个照明产业中所占的比例仅占6%左右，因此，从照明产业角度尚处于发展初期，具有十分巨大的市场前景。
LED发光技术的进步现已突破传统的照明概念，并已开拓、发展LED发光新技术领域。沿长波方向，已从蓝光拓宽到绿光、黄光、红光，发展“超越照明”，开拓在生物、农业、医疗、保健、航空、航天和通信等领域应用;沿短波方向，现已发展高效节能、环境友好、智能化的“紫光光源”，期望逐步取代电真空紫外光源，引领紫外技术的变革，开拓紫光应用广阔领域。UVA-LED(315～400nm)作为紫外固化光源(UV curing technology)，被用于光敏材料的光固化、紫外LED印刷机、数字喷涂打印等领域;UVB-LED(280～315nm)用于医学理疗，荧光分析，药物研发等领域;UVC-LED(180～280nm)作为杀菌技术(germicidal technology)，被用于空气和水净化、杀菌和化学/生物检测 。
总之，以蓝光LED为先导发展起来的Ⅲ族氮化物LED发光技术，愈益展现广阔发展空间。蓝光LED引发的半导体照明技术是Ⅲ族氮化物、也是第三代半导体材料应用发展最快、进展最大、最具发展前景的创新技术。由半导体照明引领的现代照明技术的革命，内涵极其深远，它不是简单地替代“旧电光源”，其意义将“与时俱进”，将使传统照明技术实现超越发展，对社会技术进步、经济发展发挥重大贡献。
（二）宽带隙半导体功率电子技术--将突破Si材料极限，开辟新一代功率电子技术
在现代社会中，电能转化无所不在，无时不有。功率电子器件(power devices)是功率电子系统电能转换的核心部件，器件性能对功率电子系统的能耗、体积与重量大小、成本高低和可靠性都起着决定性作用。对于理想功率电子器件的要求是：关闭状态时能承受高电压;导通状态时具有高的电流密度和低的导通压降;开关时间短，能承受高的dI/dt和dV/dt，低的开关损耗。Si功率电子器件一直是功率电子技术的主流技术，半个多世纪来，Si器件结构不断更新换代，器件性能不断得到改善和提高，满足了科学技术和工业社会发展的需求。今天，信息社会高度发展，高新技术日新月异，对功率电子技术提出了更高要求，不仅迫切要求进一步提高电-电转换能效，而且迫切提出功率大、电流强、频率高、功耗低和高温度极限等新要求。
大数据时代引领的变革，为功率电子技术发展带来良好发展机遇，同时也提出了更高的要求，面临严峻的挑战。近年来,移动互联网和物联网的蓬勃发展，实现了人、机、物三元世界的高度融合，导致社会信息数据爆炸式增长，纽约时报2012年2月13 日网站刊载文章，提出大数据时代降临，信息技术正进入“大数据时代”(age of big data)。“大数据带来的信息风暴正在变革我们的生活、工作和思维，大数据开启了一次重大的时代转型：思维变革、商业变革和管理变革”。(维克托·迈尔·舍恩伯格2010年在《经济学人》所发文)。
大数据将为人们认识世界和改造世界提供新的强有力工具，能够更加容易地把握事物规律，更准确地预测未来，而非靠经验和自觉。2011年，全球被复制和创建的数据量为1.8ZB(Z=1021),超过人类有史以来所有印刷材料的数据总量(200 PB，P=1015)。如果把1.8ZB的数据量刻录存入普通DVD光盘，光盘的高度将等同于从地球到月球的一个半来回，也就是大约72万英里(=115.2万公里)。预测全球数据量大约每两年翻一番，2015年将达到8ZB，到2020年将达到35ZB。大数据时代既为信息技术带来新的发展机遇，同时也提出新的挑战。例如，需要巨大功耗支撑大数据时代超海量信息运转，特别是数据中心需花费巨大功耗。数据中心用电和制冷费用正在以硬件费用8倍的速度增长。数据中心已经从几台大型计算机的普通机房发展至数百上千台服务器的高密度计算中心，它需要相当于一个小城镇的供电量。计算机服务器需要消耗巨大的能量来支撑整个互联网的基础设施，例如：2008年谷歌(Google)服务器系统耗电量接近1000MW ;同年“中移”等三大运营商耗电量为231亿度，相当于二氧化碳排放量2144万吨，其中基站用空调年耗电量达70亿度，相当于二氧化碳排放量750.67万吨。据统计，2008年全球用于无线信息系统的能源消耗占全球电
能总消耗的3%，信息传输量每5年就将增长10倍，这意味着以现有的技术，5年后用于各种数据系统的能耗将相当于目前全球电能消耗的30% ;因此，能耗将成为困扰未来信息技术可持续发展的主要挑战，降低能耗是互联网技术可持续发展面临的最大挑战。
此外，当前正在兴起的大功率动力牵引装置(如高铁、电动车等)、航空航天设备和国防军事装备等对功率电子技术有更苛刻的要求，需要高能效的电-电转换、特高电压、特大电流的功率电子技术。
另一方面，功率电子装备轻量化、小型化，是目前高新技术发展的必然趋势。这就要求高能效电功率处理能力并提高功率器件开关速度，例如，开关电源(switching mode powersupplies，SMPS)。功率电子器件是“开关电源”的核心部件，在开关电源中通过控制电路对输入电压进行脉冲调制，实现DC/AC或DC/DC电压变换以及输出电压可调和自动稳压，为现代用电系统提供高效电源。
因为Si功率电子技术性能的提升已逐渐接近“硅材料极限”，Si功率电子技术很难满足如上所述新时代和新环境的新要求。发展新一代功率电子技术--第三代半导体功率电子技术，或称作“宽带隙功率电子技术”，有望突破“硅材料极限”。第三代半导体材料SiC、GaN与Si相比，具有宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿电场、低介电常数和高热导率等特性，是发展新一代功率电子器件的优选材料。制成的SiC、GaN基功率电子器件具有关态耐压高、通态比电阻低、工作频率高等优势，是一类开关损耗小和耐高温工作能力强的新一代功率电子器件。例如，碳化硅器件在低击穿电压(约50V)下，比导通电阻仅有1.12μΩ，约是同类硅器件的1/100 ;在高击穿电压(约5kV)下，比导通电阻提高到25.9mΩ，却约是同类硅器件的1/300。更低的导通电阻使得碳化硅电力电子器件具有更小的导通损耗，从而能获得更高的整机效率。碳化硅器件的极限工作温度有望达到600℃以上，硅器件的最大结温仅为150℃，而且碳化硅器件抗辐射能力较强，在航空等领域应用可以减轻辐射屏蔽设备的重量。
基于SiC、GaN材料各自的特点，SiC器件与GaN器件在功率电子领域各有应用优势：SiC 主要适合用于大电力领域(千伏以上)，GaN 适合用于低电力(千伏以下)、转换速度较快领域和替代现有的Si功率器件的广阔领域。GaN功率器件与Si的IGBT和MOSFET相比，电能损耗较小且可实现小型化，可广泛用于功率因子校正、电机驱动，以及空调和电磁炉等家电产品。SiC功率器件可用于混合动力汽车和纯电动汽车的逆变器、太阳能发电系统中的功率调节器，以及工业设备中使用的输出功率为数千瓦～数十千瓦的电力转换器等广阔领域，近来受到业界的关注。
可见，宽带隙功率电子技术具有功率密度大、电流强、频率高、功耗低和高温度极限的特点，能满足当代科学技术和工业社会发展的需求，以及新时代、新环境的要求。但与成熟的Si 相比，SiC和GaN属发展中的新兴材料。发展宽带隙功率电子技术无论在材料、器件方面都还面临严峻的挑战，材料衬底、器件性能、制造成本三者密切相关，必须从应用需求出发，做统筹决策。
（三）氧化物半导体TFT 技术--引领LED背光液晶显示技术新发展
平板显示是人机联系和信息展示的窗口，对现代信息技术的发展具有十分重要的意义。平板显示技术发展日新月异，TFT-LCD是目前平板显示应用的主流技术。近年来，以iPhone和iPad为先导的智能手机和平板电脑的问世，引发智能移动终端技术迅猛发展，从简单的通话工具变为一个综合信息处理平台，几乎任何信息功能的需求都可通过互联网转移到智能移动终端上完成。因此，发展超低功耗、超高分辨和超快响应的显示技术，显得日益重要。这为平板显示技术发展带来了新机遇，同时TFT-LCD显示技术又面临新的严峻挑战。
铟镓锌氧化物(IGZO)是一种新型宽禁带半导体材料，近年来被成功地应用在LED背光液晶显示的TFT驱动技术上，有望给LED背光的液晶显示技术带来一场新变革。IGZO-TFT背板相比当前主流的α-Si TFT背板，具有以下系列优点：(1)IGZO材料的电子迁移率是α-Si材料的20～50倍以上，可显著提升像素的开口率，提高背光利用率;(2)采用栅源极布线细化技术，TFT面积可降低到α-SiTFT面积的1/4 ;背板的分辨率可达α-Si背板的2倍以上，且响应速度快，具备实现大容量信息处理的能力;(3)由于漏电流极低(可小于1pA)，可通过减少显示刷新频率，来大幅降低显示屏的功耗，并显著提高触控性。例如：IGZO-TFT背板的静态画面刷新频率可由现行的30～50Hz减少到2～5Hz, 相应耗电量是α-SiTFT背板的1/10～1/5;(4)IGZO 材料宽禁带宽度大于3.0eV，全透明，对可见光不敏感，能进一步增加开口率，提高显示亮度，降低背光功耗;(5)IGZO-TFT工艺与α-Si TFT技术兼容性好，可利用现有的高世代面板生产线进行转产。因此，IGZO-TFT背板具有超高清(UHD)、超低功耗和较低成本的特点。
IGZO-TFT有望取代目前的α-Si TFT成为新一代LED背光液晶显示驱动技术，即IGZO-TFT LED液晶显示技术(简称IGZO-TFT背板技术)，将广泛应用于电视、智能手机和平板电脑等各种显示和智能移动终端设备。IGZO-TFT背板技术的最大优势在于低功耗，其显示屏的能耗与目前最先进的α-Si或低温poly-Si液晶屏相比，至少要低50%以上。对于iPad等个人平板电脑和iPhone等智能移动终端，在平均工作负载下，系统(CPU+硬盘等)的能耗和显示(背光+驱动等)的能耗比例约为1∶1;这样算来，如能使用IGZOTFT背板技术，个人平板电脑将节能25%以上，这对iPad等靠电池工作的移动便携设备来说意义就更大。此外，IGZO-TFT 驱动技术还有望用于有源矩阵OLED(AMOLED)面板，可实现无需LED 背光的超低功耗、高响应速度、高对比度、广视角和柔性的显示屏技术。还有，IGZO还被研究在大面积玻璃上制备廉价的存储器和逻辑电路，为未来实现低成本的智能化玻璃面板(system on glass)提供了新的技术途径。
由于IGZO-TFT背板技术具有如上所述的诸多优点，成为近年来国际上的研发热点，但也面临严峻技术挑战：IGZO材料尚处于发展初期，还存在许多基本问题没有得到解决，如非晶IGZO 薄膜中存在很高的缺陷态密度，界面问题复杂，严重影响α-IGZO TFT器件的稳定性和可靠性;另外，IGZO-TFT技术的产业化还不够成熟，尚待研究开发，目前国际上只有少数几家公司做得相对较好。
三、结束语
第三代半导体材料作为继第一代锗、硅元素半导体和第二代以GaAs、InP为代表的化合物半导体之后发展起来的新兴半导体材料，已经展现出极其重要和具有战略性的应用价值，有望突破第一、二代半导体材料应用技术的一些发展瓶颈，创新开拓时代需求的新技术领域，不仅在信息领域而且进入到能源领域发挥极为重要的作用。但第三代半导体材料尚属发展中的新兴材料，面对高度发展的信息社会和工业、经济社会日新月异的应用需求，第三代半导体材料必将在应用中发展、成熟，与第一代、第二代半导体材料形成优势互补，为本世纪技术、工业和社会的发展做出重要贡献。——本文选自2013年第11期《半导体照明》。
