台海网10月27日讯 据厦门日报报道 最近，“芯片”“IC”“光刻机”“三代半”等成为热门话题，在股票市场上，第三代半导体概念股也成为股市的热点。因此，我们有必要了解什么是第三代半导体？第三代半导体有哪些用途？对我国国民经济有什么意义？
半导体材料发展经历三个阶段
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类材料，半导体材料经历了三个发展阶段，不同阶段出现的材料被称为第一代、第二代、第三代半导体材料。
第一代半导体又称为“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，到了20世纪60年代逐渐被硅（Si）取代。目前硅的制造技术最成熟，应用最广，至今全球95%以上的半导体芯片和器件仍是用硅片生产出来的，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。以集成电路（IC）为核心的现代微电子工业的发展，促进了全球整个IT信息产业的飞跃发展。硅材料自然界蕴藏量大，制造工艺成熟，成本低，人们对其性能最了解，在硅的表面很容易制备二氧化硅薄膜，非常适合于平面集成电路的制备，它在低压、大规模逻辑器件如CPU（电脑和手机的中央处理器）、人工智能芯片等电子和微电子领域具有较大的优势。但它工作频率不高、抗辐射性能不强、耐热和耐高压性能较差、光电性能差，因此在光电子领域和微波通信等应用方面受到局限。
20世纪80年代出现的第二代半导体是化合物半导体，包含有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及许多其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（由元素周期表ⅢA族和ⅤA族元素组成的一类半导体材料。如砷化镓、磷化镓等），具有高频、抗辐射、低功耗的特性，主要用于制作高频微波、毫米波器件以及发光电子器件，广泛应用于移动通信、光通讯、LED发光器件、激光器、GPS导航等，它引发了光电产业、互联网和移动通信的革命。但是砷化镓、磷化铟等材料中的镓和铟属于稀缺资源，且制造工艺难度较大，大尺寸晶圆制备难，成本较高，虽然它们在高频方面有优势，但在耐高温、大电流、大功率方面性能并无优势，并且有的还带有毒性，对环境有影响，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。
21世纪初出现的第三代半导体包含氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物，又被称为宽禁带半导体，也被简称为“三代半”。它与前两代相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件，可满足现代电子技术对高功率密度、高击穿电压、高频率响应，以及耐高温、抗辐射等在恶劣环境下工作可靠性的要求，因此，被认为是最有发展前景的半导体材料。但是由于制造工艺难度大、成本高，基于三代半材料的器件品种还较少，目前占半导体市场中的份额还很小。
半导体这三个所谓的“代”，并不是像移动通信3G、4G、5G那样“后一代替代前一代”的关系，而是新一代根据其特性在某些应用领域挤占了前一代的部分市场份额，同时也拓展了新的市场。它们各有各的优势，之间的关系与其说是“代”的关系，倒不如说是“兄弟”关系。
全产业链布局第三代半导体
我国是全球最大的半导体消费国，但我国的半导体产业发展相对滞后，产品80%以上靠国外进口，特别是高端芯片产品几乎完全依赖进口。目前，加快发展半导体产业已成为我国的一项重要战略任务。相对于第一代、第二代半导体，第三代半导体目前国际上尚处于起步发展阶段，我国追赶国际先进水平机会更大。虽然目前它的市场比重还比较小，但我国随着5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源 汽车 充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”的开展，未来对高频、高压、高功率密度、高能效器件的需求将加大，第三代半导体在这些方面有着无可比拟的优势。这些高端需求将带动第三代半导体技术进步和相关产品的开发，可以预见当需求拉动叠加成本降低，第三代半导体应用将迎来爆发性增长。
在2016年国务院发布的《“十三五”国家 科技 创新规划》中，第三代半导体被列为国家面向2030年重大项目之一。厦门市也把第三代半导体产业列入着力培育的具有发展潜力的十大未来产业。近年来在中央和各地政府出台政策的大力支持下，以及伴随新能源、智能制造、人工智能、5G通信等现代产业兴起所带来的庞大市场需求的推动下，一大批行业龙头企业近年来纷纷展开大规模投资，以期赢得发展先机。目前国内厂商在第三代半导体有全产业链的布局，产业已呈现快速发展势头。
夯实第三代半导体产业基础
虽然第三代半导体有着诸多优异的性能，但它也不是“万用神丹”。例如，智能手机中的处理器、电脑中的CPU等，从目前看不太有可能换为第三代半导体材料，至少在相当长的时间里第三代半导体还不可能完全取代前两代。
第三代半导体是以宽禁带为标志，决定了它的制造难度不可能比前两代低，暂且不说它能否制成各种功能的替代芯片，就是生产同样功能的器件，第三代半导体对制造工艺和设备的要求也不可能更低，成本也难以更低。
第三代半导体无论是单晶生长、外延层生长还是器件制造，目前处于领先地位仍是美国、欧洲、日本。况且许多基础的半导体工艺技术是相通的，无论哪一代半导体都需要，而在这些基础方面人家比我们强，想跳过或绕过这些薄弱点弯道超车或换道超车，是不太现实且有风险的。产业的发展有其自然规律，我们可以通过政策、资金等推动加快发展，而不应是光想着跳过、绕过或其他取巧的方式。要改变我们在半导体芯片方面的被动局面，光靠第三代半导体是不够的，更不是一朝一夕就能实现的，需要上游的材料和设备，中游的芯片设计、制造和封测，下游的应用等全产业链较长时期的共同努力，补上我们在半导体基础技术、工艺、设备等方面的短板，夯实基础，才有可能实现在第三代半导体突破性发展。（厦门市老科协 供稿）
半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
一、半导体材料主要种类
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。
1、元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性半导体材料的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。
（半导体材料）
2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。
（半导体材料元素结构图）
半导体材料
三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ-Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系(例如Cu2FeSnS4)和更复杂的无机化合物。
3、有机化合物半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。
4、非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。
二、半导体材料实际运用
制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。
半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。
（半导体材料）
绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。
在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。
三、半导体材料发展现状
相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算，
半导体材料日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。
（半导体材料）
美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。
日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。
芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。
半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。
与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。
四、半导体材料战略地位
20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式
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