第3代半導(dǎo)體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，各類半導(dǎo)體材料的帶隙能比較見表1。與傳統(tǒng)的第1代、第2代半導(dǎo)體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第3代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨(dú)特的性能，使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現(xiàn)出巨大的潛力，是世界各國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展概況

目前，第3代半導(dǎo)體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術(shù)的革命，無論是照明、家用電器、消費(fèi)電子設(shè)備、新能源汽車、智能電網(wǎng)、還是軍工用品，都對這種高性能的半導(dǎo)體材料有著極大的需求。根據(jù)第3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（見圖1）。

電力電子器件

在電力電子領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用剛剛起步，市場規(guī)模僅為幾億美元。其應(yīng)用主要集中在軍事尖端裝備領(lǐng)域，正逐步向民用領(lǐng)域拓展。微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá)、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領(lǐng)域。功率器件方面，GaN和SiC兩種材料體系的應(yīng)用領(lǐng)域有所區(qū)別。Si基GaN器件主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹械蛪海?00～1 200V）， 如筆記本、高性能服務(wù)器、基站的開關(guān)電源；而SiC基GaN則集中在高壓領(lǐng)域（＞1 200V），如太陽能發(fā)電、新能源汽車、高鐵運(yùn)輸、智能電網(wǎng)的逆變器等器件。

第三代半導(dǎo)體電力電子器件和產(chǎn)業(yè)趨勢

在20世紀(jì)，硅基半導(dǎo)體電力電子器件被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通信和能源等行業(yè)，為人們帶來了各種強(qiáng)大的電子設(shè)備，深刻地改變著每一個人的生活，在過去的幾十年中一直推動著科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。隨著硅基電力電子器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優(yōu)異的特性，給電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。相對于Si材料，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造新一代的電力電子元件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質(zhì)量、體積以及生命周期成本，允許設(shè)備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實(shí)現(xiàn)更高的性能。基于這些優(yōu)勢，寬禁帶半導(dǎo)體在家用電器、電力電子設(shè)備、新能源汽車、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、高壓直流輸電設(shè)備、移動電話基站等系統(tǒng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

1、軍事方面的應(yīng)用

最初，針對禁帶半導(dǎo)體的研究與開發(fā)主要是為了滿足軍事國防方面的需求。早在1987年，美國政府和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)就促成了科銳公司（Cree）的成立，專門從事SiC半導(dǎo)體的研究。隨后，美國國防部和能源部先后啟動了“寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計劃”和“氮化物電子下一代技術(shù)計劃”，積極推動SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。美國政府一系列的部署引發(fā)了全球范圍內(nèi)的激烈競爭，歐洲和日本也相繼開展了相關(guān)研究。歐洲開展了面向國防和商業(yè)應(yīng)用的“KORRIGAN”計劃和面向高可靠航天應(yīng)用的“GREAT2”計劃。日本則通過“移動通訊和傳感器領(lǐng)域半導(dǎo)體器件應(yīng)用開發(fā)”、“氮化鎵半導(dǎo)體低功耗高頻器件開發(fā)”等計劃推動第3代半導(dǎo)體在未來通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家在寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件及系統(tǒng)的研究上取得了豐碩的成果，實(shí)現(xiàn)了在軍事國防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

由于SiC和GaN兩種材料的特性不同，它們的應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作為大功率高頻功率器件。GaN材料的功率密度是現(xiàn)有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，被應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗、智能化系統(tǒng)及火控裝備，用來提高雷達(dá)性能和減小體積。根據(jù)報道，美國海軍新一代干擾機(jī)吊艙、空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件，以取代洛馬公司的SPY-1相控陣?yán)走_(dá)（宙斯盾系統(tǒng)核心雷達(dá)）。SiC則應(yīng)用于高壓、高溫、強(qiáng)輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機(jī)及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統(tǒng)，起到抵抗極端環(huán)境和降低能耗的作用。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射系統(tǒng)均靠電力驅(qū)動，能在300英尺的距離內(nèi)把飛機(jī)速度提高到160海里/h。其區(qū)域配電系統(tǒng)采用全SiC器件為基礎(chǔ)的固態(tài)功率變電站，這使得每個變壓器的質(zhì)量從6t減少為1.7t，體積從10m3減少為2.7m3。

2、民用領(lǐng)域應(yīng)用

隨著在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用逐步成熟，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用開始逐步拓展到民用應(yīng)用領(lǐng)域，其節(jié)能效應(yīng)也將惠及到國民經(jīng)濟(jì)的方方面面。近年來，信息技術(shù)在原有基礎(chǔ)上又得到快速發(fā)展，大量的以新技術(shù)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品、新應(yīng)用正在迅速普及，所帶來的電力電子設(shè)備的能源消耗量也快速增長。根據(jù)預(yù)測，美國電力電子設(shè)備用電量占總量的比例將從2005年的30%增長到2030年的80%。半導(dǎo)體在節(jié)能領(lǐng)域中應(yīng)用最多就是功率器件，絕大多數(shù)電子產(chǎn)品都會使用到一顆或多顆功率器件產(chǎn)品。寬禁帶半導(dǎo)體的帶隙明顯大于硅半導(dǎo)體，從而可有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗。其相關(guān)器件的推廣應(yīng)用將給工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、新能源等領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響（見圖4）。

圖4 寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

（1）工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域，交流電機(jī)控制、工業(yè)傳動裝置、機(jī)車與列車用電源以及供暖系統(tǒng)傳動裝置等都需要功率器件。對于工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)來說，更高效、更緊湊的寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，這將使得泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)所用的各類驅(qū)動電機(jī)變得更加高效、節(jié)能。根據(jù)報道，在美國，電機(jī)系統(tǒng)用電量占制造業(yè)的70%左右，通過使用寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器，美國每年直接節(jié)省的電力相當(dāng)于100萬戶美國家庭用電的年消耗量。隨著寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動器的應(yīng)用逐步擴(kuò)展，最終節(jié)省的電力可供690萬戶美國家庭使用。

（2）消費(fèi)電子產(chǎn)品

消費(fèi)電子產(chǎn)品將是寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的另一大領(lǐng)域。目前，家庭擁有的電器總量驚人，各類家電通常都需要各種不同的功率器件控制；公共場所空調(diào)、照明、裝飾、顯示、計算機(jī)、自動控制等也需要大量的功率器件。筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦、計算機(jī)和服務(wù)器等消費(fèi)電子產(chǎn)品所使用的電源轉(zhuǎn)換器雖然單個能耗不大，但其使用數(shù)量龐大，損耗總和相當(dāng)驚人。寬禁帶半導(dǎo)體芯片可以消除整流器在進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換時90%的能量損失，還可以使筆記本電源適配器體積縮小80%。通過使用寬禁帶半導(dǎo)體，美國在此領(lǐng)域節(jié)約的電力可供130萬戶美國家庭使用。

（3）新能源領(lǐng)域

為了擺脫對化石燃料的依賴、減少溫室氣體的排放，各國政府都開始大力發(fā)展可再生能源產(chǎn)業(yè)。太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電力需要從直流電源轉(zhuǎn)換成交流電，繼而才能與電網(wǎng)相連接使用。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出非固定頻率的交流電，需要進(jìn)行交-直-交的轉(zhuǎn)換才能并網(wǎng)使用。寬禁帶半導(dǎo)體逆變器可以使得這個過程的效率更高，美國每年節(jié)省的電力足夠供美國75萬戶家庭使用。此外，對于智能電網(wǎng)來說，使用寬禁帶半導(dǎo)體制成的逆變器、變壓器和晶體管等，有助于克服發(fā)電、輸電、配電及終端使用所面臨的一系列問題，幫助建立一個更智能、更可靠、更具彈性的新一代電網(wǎng)。例如，一個寬禁帶半導(dǎo)體逆變器，其性能是傳統(tǒng)逆變器性能的4倍，同時成本和質(zhì)量分別減少50%和25%。對于較大規(guī)模的逆變器，寬禁帶半導(dǎo)體逆變器的質(zhì)量可以減輕大約3 600kg。

在電動汽車和混合動力汽車領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體可以把直流快充電站縮小到微波爐一樣大小，并減少2/3的電力損失。由于這些電子產(chǎn)品可以承受更高的工作溫度，可使得車輛冷卻系統(tǒng)的體積減少60%，甚至消除了二次液體冷卻系統(tǒng)。

3、產(chǎn)業(yè)趨勢

基于寬禁帶半導(dǎo)體的廣闊應(yīng)用前景、巨大的市場需求和經(jīng)濟(jì)效益，繼半導(dǎo)體照明以后，美國將第三代半導(dǎo)體材料的電子電力器件應(yīng)用提升到國家戰(zhàn)略的高度，確保美國在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。相對于半導(dǎo)體照明行業(yè)，寬禁帶半導(dǎo)體在電子電力領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，但預(yù)計其潛在市場容量超過300億美元。

功率器件方面，2012年全球SiC和GaN基功率器件市場的銷售規(guī)模僅為1億多美元，大部分應(yīng)用集中在電源。其中，SiC基器件的市場規(guī)模達(dá)到9 000萬美元，而GaN基器件僅為1 000多萬。2013年，各大企業(yè)紛紛推出GaN功率器件樣品，這標(biāo)志著其在民用市場的商業(yè)化進(jìn)程開始加速。隨著價格下降和產(chǎn)量的增加，預(yù)計市場拐點(diǎn)或?qū)⒊霈F(xiàn)在2015年。SiC基器件的價格有望下降到2012年的一半左右，GaN基器件的價格也可能進(jìn)一步下降，屆時市場規(guī)模有望接近5億美元。2020年，市場規(guī)模將達(dá)到20億美元，相比2012年提高20倍。微波器件方面，2012年GaN基微波器件市場收入接近9 000萬美元，預(yù)計GaN整體市場微波及功率器件到2015年達(dá)到3.5億美元。

我國開展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比較晚，在科技部及軍事預(yù)研項(xiàng)目的支持下，取得了一定的成果，逐步縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，在軍工領(lǐng)域已取得了一些應(yīng)用。但是，研究的主要成果還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，器件性能離國外的報道還有很大差距。目前，已有少數(shù)企業(yè)成功開發(fā)SiC和GaN材料及器件，GaN微波器件和SiC功率器件于2013年進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段，預(yù)計在未來2～3年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。