文/马琢   黄晓艳

      郑有炓院士是我国半导体材料与器件物理领域的知名专家，长期从事半导体异质结构材料与器件物理研究，近年主要致力于宽禁带半导体光电子材料与器件研究，并取得了丰硕的科研成果。除了研究和教学，郑院士还积极致力于推动第三代半导体材料的产业化，为国家、地方和企业在相关领域的布局提供专业的指导意见，虽然已经年过八旬，但依然精力充沛地工作在科研和技术推广的前沿。

　　第三代半导体是指以GaN、SiC为代表的新型宽禁带半导体材料，它是继以Ge、Si元素半导体为代表的第一代半导体材料和以GaAs,InP化合物半导体为代表的第二代半导体材料之后于上个世纪九十年代后期发展起来的新一代半导体材料。第三代半导体以其独特的材料性能有望突破第一代、第二代半导体在光电子、电力电子和射频功率等领域发展面临的材料物理极限，开拓发展新一代半导体技术，满足现代技术经济社会发展的迫切需求，对当代技术进步和经济社会发展发挥重要推动作用，成为近些年来国际上争先发展的热点领域。我国在第三代半导体材料领域的研究起步不算晚，并且受到了高度重视。2015年5月，国务院发布《中国制造2025》，新材料是《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图》中十大重点领域之一，其中第三代半导体被纳入关键战略材料发展重点。

　　在一个阳光明媚的下午，郑有炓院士应《高科技与产业化》杂志邀请，就第三代半导体材料的研究发展、产业化状况和应用前景做了详细的讲解。

　　材料发展推动产业变革

　　材料是半导体技术发展的基础，新材料的发现和应用对半导体技术的发展起着决定性作用，“一代材料，一技术，一代产业”。上个世纪40~50年代以锗（Ge）、硅（Si）元素半导体为代表的第一代半导体材料研究的突破，导致晶体管的发明及集成电路的诞生，开创固体电子学与硅微电子技术，引发了电子学、电子技术的革命，为信息技术革命奠定了基础。上个世纪六、七十年代，以GaAs、InP为代表的化合物半导体材料研究的突破，导致半导体激光器诞生，超晶格量子阱概念提出与实现，开创了半导体量子光电子技术和射频半导体技术，推动了通信技术的革命，诞生“光纤通信”和“无线通信”技术，并产生了系列半导体激光信息处理新技术。半个多世纪来，第一代半导体和第二代半导体及其微电子和光电子产业的发展，促进了信息技术革命，使人类社会进入到今天如此先进的大数据互联网时代，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，以至每个家庭，改变了社会生产方式和人们生活方式，对整个社会带来了不可估量的影响，创建了历史辉煌。

　　以GaN、SiC为代表的第三代半导体以其独特材料性能，有望开拓发展新一代半导体技术。GaN基材料带隙宽广连续可调（从0.7eV到6.2eV）、全组分直接能隙等特性，具有宽谱高效电光互转换功能，有望用于发展电/光转换的高效固态光源和光/电转换的光电探测与光伏发电器件。第三代半导体材料具有宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿电场、高导热率、高工作温度、高介电常数等优异性能，这些决定器件性能的材料物理参数值都比第一代（Si）和第二代（GaAs）半导体材料优越几倍甚至几个数量级，而且GaN异质结构二维电子气密度又比GaAs高4～5倍，因此可用于发展超越Si的高频、高压、大功率、低损耗、耐高温和抗辐射的新一代电力电子器件和超越Si、GaAs具有更高工作电压、更高功率、更高效率、高功率密度、更高工作温度和更耐辐射能力的射频微波功率器件。经过20多年的发展，基于GaN、SiC发展起来的第三代半导体进入产业化的技术主要有:在光电子领域作为颠覆性技术的“高效固态光源”和“固态紫外探测”；在电子技术领域作为有望超越Si、GaAs的新一代功率电子技术的“电力电子”和“射频微波”。因此，与第一代、第二代半导体相比，第三代半导体有望突破第一代、第二代半导体在光电子、电力电子和射频微波等领域发展面临的材料物理极限，创新发展“高能效、低功耗、兼具极端性能和耐恶劣环境”的新一代半导体技术，在能源技术、电子信息技术和工业技术特别是高新技术等领域扮演重要角色，支撑现代技术经济社会可持续发展的迫切需求，开拓广阔的应用前景。

　　需要注意的是，第三代半导体材料并不是取代前两代材料，而是凭着独特优异的物理性能大大地扩展了半导体材料的应用范围，比如正在迅速普及的LED照明技术。而成熟的第一、二代材料将继续在我们熟悉的微电子和光电子领域发挥不可替代的作用。

　　应用驱动技术进步

　　第三代半导体材料独特而优良特性，使得它在高效固态光源（LED照明）、固态紫外探测、电力电子以及射频微波等应用领域有着得天独厚的优势。在LED照明方面，随着相关材料研究和制造技术的不断进步，其相应的中下游产业正在迅速走向成熟，甚至带来整个行业颠覆性的改变。其中最突出，也是最容易被大众感受到的是LED照明产品的普及，而其他方面的应用也在有条不紊地向前推进。

　　LED照明应用

　　LED照明是GaN基材料作为高效固态光源应用最早、发展最快、成就最大的高技术应用领域。1993年，第一只基于GaN的高亮度蓝光LED诞生，解决了1962年LED问世以来长达30多年蓝光的缺失，为照明领域的发展带来根本性转变，使得我们可以用全新的方式创造白光。基于黄色与蓝色的色彩互补色原理，利用蓝光LED激发黄色荧光粉产生的黄光与蓝光互补产生白光，引发了照明技术革命，开创了固态照明新纪元。基于红、绿、蓝LED三基色混光，通过调控三基色比例可以获得白光和各种不同颜色的光，引发平板显示技术的变革（或革命），开创了全色平板显示技术新纪元。GaN蓝光LED开拓者赤崎勇、天野浩及中村修二共同获得2014诺贝尔物理学奖，是对他们卓越的贡献以及对这项技术的肯定。

　　LED照明的实现和普及具有多方面的重大意义。首先它大大提升了人造光源的光电转换效率，减少了能源消耗。应用了100多年的白炽灯电光转换效率只有5%（发光效率15lm/W），荧光灯管为25%（80lm/W），荧光节能灯（CFL）为20%(60lm/W)，高压钠灯为43%(130lm/W)，而目前白光LED的发光效率已接近白炽灯20倍，荧光灯的4倍。这使得LED成为到目前为止最省电的人造光源。据统计，全球范围照明用电量占到总用电量的1/4左右，在我国也占到12%～13%，大部分的电能在产生光源的同时以热能的形式被白白浪费掉了。如果LED照明广泛取代现有的白炽灯和荧光灯，节省的电量将是一个天文数字。如果在全国范围内普及LED照明，每年节省的用电量相当于4～5个三峡电站的发电量，经济效益不可谓不惊人。因此，LED照明被认为GaN引发了一场能源技术的革命！

　　伴随着节能一同收获的还有巨大的环保效益。传统的荧光灯和节能灯都是通过加热、电离汞蒸气发出的紫外光去激发荧光粉发射白光，因此制造环节和最终产品都离不开汞，汞对人体和环境都有巨大危害。一克汞深入地下会污染360吨水和周围的土壤岩石。据早期报道：一支荧光灯含汞30毫克，加上制造过程中的损耗和泄露，汞的消耗大约是47~60吨/10亿支，如果每支节能灯含汞降至0.5毫克，一年需要消耗汞20多吨。中国是荧光灯和节能灯制造大国，占全球年产量的2/3，因此大部分的汞污染都留在国内，LED照明技术的成熟和普及，为彻底消除该领域内的汞污染提供了完美的手段。同时，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。这也促使照明灯具的升级换代成为刻不容缓的大事，第三代半导体技术发展带来的LED照明可谓生逢其时。

　　困扰LED照明初期普及的价格问题已经得到解决。五年前一支LED灯泡的市场售价是节能灯的数倍，随着近几年LED生产技术的迅速发展，生产规模的迅速扩大，现在LED灯泡的价格已经与节能灯持平，甚至更低，节能效果更好，并且即开即亮，外观多种多样，产品适用范围完全覆盖现有照明需求，对节能灯形成了全面取代的优势。LED照明的应用领域随着器件性能不断提高也越来越广，例如近几年LED车头灯、街道市政照明、城市景观照明等等。

　　LED照明从技术出现到成熟，已经走过20多年的发展历程，产业也经历了通过上游芯片研发驱动中游封装带动下游应用发展的过程，进入了平稳发展的阶段。对于LED照明产业未来的发展方向，郑有炓院士认为会是应用驱动发展的阶段，以下游不断创新的应用促使产业中游和上游技术继续进步。

　　LED照明不仅仅是对现有传统光源的简单替代，它的应用领域正在不断扩展，其功能和性能早已超出传统照明的范畴。LED芯片依靠电子、空穴注入复合发光的纯物理过程使得它天生适合数字化调控，从而实现照明智能化。通过与现代传感技术和互联网技术的结合，通过数字化、网络化管理，人们可以打造个性化、更舒适的照明环境，实现更加高效节能、绿色环保的LED智慧照明。例如路灯照明可以随季节变化、环境光强弱自动开启；交通信号设施可以依据道路繁忙程度、日夜智能调整；室内照明可以营造不同色调、色温、亮度的个性化环境，适应人的情绪和气氛需求。LED应用在城市景观照明可以打造绚丽多彩的城市夜景，效果远远超过传统的泛光照明，并且能够实现超大面积图像显示，大大丰富了城市夜生活。LED照明与物联网融合，可以构建家庭智慧照明系统，不仅可以通过手持终端精确控制各个区域的照明，还能够通过全彩色LED灯具营造不同的光线氛围，为家居生活带来新的乐趣。LED光源将作为互联网时代智慧社会不可或缺的元素，点亮智慧城市新生活。

　　作为高能效、智能化、长寿命和绿色环保的LED照明技术,在传统照明领域之外，LED照明还可以跨界融合，作为LED+与农业、生物、医疗、保健、通信、航天、航空融合，开拓新应用，推动传统技术转型升级，带动传统产业转型升级，促进经济社会发展，如绿色生态农业，智慧养殖业等等。LED与光通信技术融合产生的可见光通信技术（Li-Fi）具有广阔的发展前景。可见光谱比无线电频谱宽10000倍，可提供更快的通信带宽，实现高速数据传输，并且更安全、节能、不受干扰、易于部署，有望推动互联网和物联网发展，可以用于飞机、医院等对无线信号限制的场地，通信速率可高达50Gb/s。美国市场研究公司Grand View Research得出的研究报告数据显示，全球可见光通信（VLC）/Li-Fi市场可望在2024年达到1013亿美元。

　　LED照明一开始就引发了平板显示技术的变革，开创了大屏幕全色平板显示技术，这方面在过去10年得到了极大的发展。除了大众熟悉的越来越多的室外大屏幕显示，近年来又朝向小间距显示发展。小间距LED显示以其超高分辨、色彩自然真实和无缝拼接的特点，可实现高清晰显示，使LED显示从室外走进实内，具有极其广阔应用前景，有望成为LED显示的主流技术。最近又出现μLED（Micro LED）和QLED(Quantumdot-LED)的新显示技术，又有望引发LED显示技术新发展。μLED具有超高解析度与色彩饱和度、响应速度更快，使用寿命更长、效率高等特点，还可实现超高分辨率（可以达到1500ppi）。

　　LED除了如上所述在可见光领域大有可为，LED在紫光和紫外领域也带来深刻的变革。第三代半导体技术可以实现紫光和紫外光发射和探测，可以在生产生活领域取代笨重的真空紫外汞灯，同时还具有高效节能、无毒无汞绿色环保、工作电压低、寿命长（几万小时）、体积小巧、以及可数字化、智能化等优点。UVA-LED（315-400nm）作为紫外固化光源，可用于光敏材料的光固化、紫外LED印刷机、3D打印、数字喷涂打印等等；UVB-LED（280-315nm）可用于生命医学、荧光分析、药物研发等；UVC-LED（180-280nm）可用于空气和水净化、化学和生物检测等。紫外探测器技术也因三代半导体技术得到了很大发展，半导体紫外光探测在国防技术、空天技术、紫光通信、火焰探测、环境监测、医药与生物探测方面有广阔的应用前景。

　　功率电力电子器件

　　第三代半导体材料的另一个重要的应用领域是电力电子器件。电力电子器件是电功率转换的核心器件，广泛应用于不同电压电流转换和控制系统中，其能效决定了电子系统、装备和产品的能耗以及体积和重量大小、成本高低和可靠性。据估计，到2030年，从发电到消费过程中，所生产的电能中有80%需要经过一个或多个电能变换。SiC、GaN功率电子器件具有高工作电压（4H-SiC、GaNpn结二极管的击穿电压分别是Si材料二极管的46倍和34倍）、高功率密度、高导热率、低通态电阻、工作频率高、极低反向漏电流、耐高温、耐辐照等优异特性，可发展高电压、大功率、低损耗、耐高温、抗辐射的新一代电力电子器件。

　　据国际能源机构（IEA）的报告，“全球电能在一级能源消耗中占据43%”，社会上各种电子系统（设备）用电约占总电量的近60%。同时随着现代科学工程技术的迅猛发展，各种电子装备对功率器件性能的要求越来越高：具有极端特性参数（超高电压和功率、超低漏电）；耐恶劣环境（耐高温、抗辐射、抗腐蚀等性能）。第三代半导体材料能满足上述需求，大大提高电力电子器件性能。用SiC、GaN功率电子技术取代Si技术，可以将DC-to-DC的转换效率将从85%增加到95%，AC-to-DC的转换效率将从85%提升到90%，DC-to-AC的转换效率将从96%提升到99%。如果一个电力系统包含上述3种功率转换，使用第三代半导体功率器件可提升能效18个百分点，还将带来体积小、重量轻、附加能耗低。

　　目前，对高性能功率电力电子器件的应用需求不仅集中在传统的用电大户：例如大型互联网数据中心，电力机车的动力系统，还有光伏发电的逆变器，电动/混合动力汽车的高效电能转换等，几乎涵盖了所有需要功率变换的工业和民用领域，为第三代半导体电力电子器件提供了广阔的市场空间。

　　GaN材料还具有优越的射频性能，与传统的GaAs和Si-LDMOS器件相比，可以制作具有更高工作电压、更高功率、更高效率、高功率密度、更高工作温度和更耐辐射能力的新一代射频功率器件，在军事上，可用于雷达、通信和电子战系统；在商用领域，用于微波、毫米波广播、卫星通信和移动通信基站等基础实施。目前GaN器件成本已与Si-LDMOS器件相当，性能更优越,正开始取代4G移动通信基站中的Si-LDMOS器件。对于5G移动基站，GaN毫米波器件可提供更高的功率密度、更高效率、更低功耗和更高工作温度，满足5G通信技术对超带宽、高速接入、低接入时延、低功耗和高可靠的需求。因此，GaN技术将推动5G移动通信的发展。

　　在两个小时的访谈中，郑有炓院士多次提到材料是立国之本，半导体材料更是这样。对第三代半导体材料的研究，中国起步不算晚，目前在LED照明应用领域也走在世界的前列，但是在产业上游的LED照明芯片方面还有一定差距，处于全球第二、三梯队位置，这方面的工作任重道远。当前，我们在第三代半导体技术方面机遇和挑战并存，应大力提倡政、产、学、研、用相结合，共同推进第三代半导体产业的健康可持续发展。回顾整个半导体行业的发展历程，第三代半导体还处于发展初期阶段，我国布局起步也不算晚，中国的科研力量和半导体产业一定大有作为。