《新型半导体材料介绍》课件

新型半导体材料介绍2025年最新版目录半导体材料基础了解半导体材料的发展历史、定义、物理特性及分类主流半导体材料回顾硅、锗、III-V族、II-VI族等传统半导体材料的特性与应用新型半导体材料类型超宽禁带、有机半导体、二维材料等新型半导体的特性与发展工艺与性能材料制备工艺、物理性能对比及检测表征方法应用及趋势展望半导体材料发展简史半导体产业规模半导体行业的起点可追溯至1947年，当时贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利发明了第一个晶体管，开启了电子革命的新纪•2024年全球半导体产业规模已超6000亿美元元•平均年增长率维持在8%左右从最初的锗Ge晶体管，到硅Si的广泛应用，再到III-V族化合物半导体的出现，半导体材料经历了数次技术迭代，每次变革都带来性能和应用•中国市场占全球消费量的35%以上领域的巨大飞跃•新型材料市场份额正以每年20%的速度增长半导体定义与分类导体、绝缘体与半导体对比导体电阻率ρ＜10^-5Ω·cm，价带与导带重叠半导体电阻率ρ在10^-5~10^9Ω·cm之间，禁带宽度通常为

0.1~3eV绝缘体电阻率ρ＞10^9Ω·cm，禁带宽度通常大于3eV本征半导体与杂质半导体本征半导体纯净的半导体材料，如纯硅、纯锗杂质半导体通过掺杂形成的N型（多子为电子）或P型（多子为空穴）半导体半导体器件通常结合P型和N型材料形成PN结半导体的导电性能可通过温度、光照、电场等外部条件调控，这种独特性质使其成为现代电子设备的核心组件半导体的物理特性能带结构特征关键物理参数半导体材料的能带结构决定了其电学和光学特性在能带理论中，半导材料禁带宽度eV电子迁移率体的价带和导带之间存在一个被称为禁带的能量间隙cm²/V·s直接带隙半导体（如GaAs）价带顶和导带底在k空间中处于同一位置，Si

1.121450电子-空穴复合能直接发射光子间接带隙半导体（如Si）价带顶和导带底在k空间中位置不同，电子跃Ge

0.673900迁需要声子参与GaAs

1.428500GaN

3.41000SiC

3.26650石墨烯0＞200,000禁带宽度影响器件的工作温度、耐压能力和光电特性，而载流子迁移率则直接关系到器件的开关速度和工作频率主流半导体材料回顾硅——硅的主导地位硅材料是现代集成电路产业的基石，全球90%以上的集成电路芯片都基于硅材料制造其优势在于地球上含量丰富（地壳中第二丰富元素），原料成本低，且工艺成熟物理特性硅的熔点高达1415°C，热稳定性好；易于形成高质量氧化层（SiO₂），这是现代CMOS工艺的关键；禁带宽度为

1.12eV，室温下电子迁移率约为1450cm²/V·s产业优势硅材料制备技术已经发展超过70年，可实现超高纯度（9个9以上）、大尺寸（12英寸甚至18英寸）晶圆生产，并形成了完整的产业链和生态系统，具有难以替代的规模经济优势锗材料简析锗的历史地位为何硅最终取代锗？锗是20世纪早期半导体工业的主角，1947年第一个晶体管就是基于锗材•锗的禁带宽度较窄，导致漏电流大，高温下性能降低料制造的作为半导体技术的开拓者，锗在电子工业发展初期发挥了不•锗的热稳定性不如硅，温度敏感性更高可替代的作用•锗的自然氧化物GeO₂不稳定，无法像SiO₂那样作为良好的绝缘层锗的熔点为937°C，禁带宽度为

0.67eV，室温下电子迁移率高达•锗在地壳中含量低，提取成本高，原材料价格昂贵3900cm²/V·s，空穴迁移率约为1900cm²/V·s，这些电学性能指标均优于•硅基工艺的规模化发展降低了成本，建立了难以超越的产业优势硅尽管如此，锗在特定领域如高速晶体管、红外探测器、太阳能电池等方面仍有独特应用ⅢⅤ族化合物材料简介-基本组成优异特性关键应用III-V族化合物半导体由周期表第III族元素（如主要特点是高电子迁移率和直接带隙特性5G通信基站（GaN功率放大器）、光通信Ga、In、Al）和第V族元素（如As、P、N、GaAs的电子迁移率高达8500cm²/V·s，是硅的（InP激光器）、LED（GaN）、高效太阳能Sb）化合组成，形成多种化合物如GaAs、近6倍；直接带隙结构使其光电转换效率高，电池（GaAs）、微波雷达（GaAs）、航天电InP、GaN、AlGaAs等适合光电器件子（GaAs）等高端应用领域的核心材料近年来，随着5G通信、新能源和电动汽车产业的快速发展，III-V族化合物半导体的市场规模持续扩大，2024年全球市场规模已超过250亿美元，预计未来五年复合增长率将保持在15%以上ⅡⅥ族化合物材料-II-VI族化合物材料基本特征主要应用领域II-VI族化合物半导体由周期表第II族元素（如Zn、Cd、Hg）和第VI族元素（如太阳能电池O、S、Se、Te）组成，形成多种化合物如CdTe、ZnSe、ZnO、HgCdTe等CdTe薄膜太阳能电池成本低，效率高，已实现商业化生这类材料的最显著特点是具有较大的禁带宽度（

1.5-

3.7eV），例如ZnO的禁带宽产，是硅基太阳能电池的重要替代技术度为

3.37eV，ZnS为

3.7eV同时，大多数II-VI族化合物是直接带隙半导体，具有优异的光电性能光电探测器•CdTe禁带宽度

1.5eV，接近太阳光谱最佳转换效率的理论值HgCdTe是目前性能最优的红外探测材料，广泛应用于军•ZnSe禁带宽度

2.7eV，优异的光学透明性事、航天和医疗领域•HgCdTe可调禁带宽度，优异的红外探测性能光电子器件ZnSe用于制造蓝光激光器，ZnO用于紫外探测器和透明导电薄膜传统材料与新型材料对比传统半导体材料以硅为代表的传统材料经过70多年发展，工艺成熟，成本低廉，但在集成度、速度、功率等方面已接近物理极限•摩尔定律减缓硅基工艺面临7nm以下的量子效应和热效应挑战•功率密度瓶颈Si功率器件在电动车、5G等高功率应用中性能不足•频率限制传统Si在高频领域响应速度有限新型半导体材料新型材料如SiC、GaN、石墨烯等突破了传统材料的限制，开辟了全新的应用空间•更高的耐压能力SiC的临界击穿场强是Si的10倍•更高的工作温度SiC、GaN可在200°C以上稳定工作•更高的频率响应GaN可工作在100GHz以上的频率•新的物理特性二维材料具有全新的量子特性新型半导体材料并非完全替代传统材料，而是在特定应用领域发挥独特优势，共同推动半导体产业向更高性能、更低能耗、更多功能方向发展新型半导体材料总览超宽禁带半导体有机半导体以SiC、GaN、AlN、Ga₂O₃为代表，禁带碳基有机分子或高分子材料，具有柔性、可溶宽度3eV，具有高耐压、高温稳定性，主要液加工特性，主要应用于显示、传感和柔性电应用于功率电子和高频领域子领域二维材料其他功能型材料石墨烯、过渡金属硫族化合物等原子级厚度的包括氧化物半导体、钙钛矿材料、磁性半导体二维材料，具有独特的电学、光学和量子特等，针对特定应用场景的专用材料性超宽禁带半导体材料超宽禁带半导体定义禁带宽度大于3eV的半导体材料被称为超宽禁带（Wide Bandgap,WBG）半导体，主要包括SiC、GaN、AlN、Ga₂O₃等这类材料具有高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和速度等特点，特别适合高温、高压、高频应用环境特性与应用优势⚡高击穿电场比Si高3-10倍，可制造更高耐压器件高温稳定性可在200-600°C环境下稳定工作⚙️高功率密度体积更小，效率更高高频特性适合5G/6G通信、雷达等高频应用以电动汽车为例，采用SiC功率器件的逆变器相比传统硅基逆变器，体积可减小40%，重量减轻35%，能量损耗降低80%，大幅提升电动车的续航里程和充电效率特性与应用SiC碳化硅（SiC）的基本特性主要应用领域碳化硅是目前产业化最成熟的超宽禁带半导体材料根据晶体结构不同，分为多种多型电动汽车特斯拉Model3/Y采用SiC MOSFET，提高能体，其中4H-SiC在电子器件领域应用最广效15-20%充电桩SiC基充电桩效率提升5%，充电速度提高30%特性4H-SiC Si（对比）光伏逆变器SiC器件可将光伏逆变器效率提升至99%以禁带宽度

3.26eV

1.12eV上击穿电场

2.8MV/cm

0.3MV/cm工业电源减小体积40%，降低损耗50%轨道交通高铁/地铁牵引系统的功率转换热导率

4.9W/cm·K

1.5W/cm·K智能电网高压直流输电（HVDC）和固态变压器电子饱和速度

2.0×10⁷cm/s

1.0×10⁷cm/s预计到2027年，全球SiC功率器件市场规模将超过50亿美元，年均增长率超过30%最高工作温度600°C150°CSiC的热导率是硅的3倍以上，击穿电场强度是硅的近10倍，这些特性使其在功率电子领域具有显著优势特性与应用GaN快速充电5G基站LED照明GaN基充电器体积比传统硅基充电器小40-GaN高电子迁移率晶体管HEMT是5G基站射频GaN是蓝光LED的核心材料，2014年赤崎勇、天60%，效率提升10-15%2024年GaN快充市场前端的核心器件，工作频率可达100GHz以上，野浩和中村修二因GaN蓝光LED的发明获得诺贝规模已超过5亿美元，众多品牌推出65W-240W功率密度是传统器件的5-10倍，大幅减小基站体尔物理学奖目前全球LED照明市场90%以上使的GaN充电器积和能耗用GaN基LEDGaN的禁带宽度为

3.4eV，击穿电场为

3.3MV/cm，电子迁移率在二维电子气结构中可达2000cm²/V·s，这些特性使其在高频高功率应用中表现出色预计2024年全球GaN器件市场规模将超过25亿美元，未来五年复合增长率约35%材料简介AlN氮化铝（AlN）基本特性AlN的主要应用领域氮化铝是目前商业化的半导体材料中禁带宽度最大的材料之一，达到深紫外LED

6.2eV，远高于SiC和GaN这一特性使其成为超高压、高温和深紫外光电器件的理想材料AlN基深紫外LED发光波长可达210-280nm，适用于水净化、空气消毒、医疗检测等领域，在疫情期间应用大幅增长AlN的主要物理特性•禁带宽度

6.2eV（室温）声表面波器件•击穿电场12MV/cm（理论值，是硅的40倍）AlN的高声速和压电特性使其成为5G/6G通信中高频声表面波•热导率

3.4W/cm·KSAW滤波器的理想材料，频率响应可达数十GHz•声速11000m/s（是石英的两倍）•热膨胀系数

4.2×10⁻⁶/K（接近硅）超高压电力电子AlN还具有优异的化学稳定性和耐高温性能，可在1000°C以上的极端环境理论上AlN可承受10kV以上的超高压，是未来特高压输电领域的中保持稳定潜力材料氧化物半导体材料IGZO薄膜晶体管铟镓锌氧化物InGaZnO是目前最成功的氧化物半导体，电子迁移率达10-30cm²/V·s，比非晶硅高10倍，广泛应用于高端显示面板苹果iPad Pro、三星OLED电视等高端显示设备均采用IGZO背板技术透明电子学氧化物半导体通常具有较宽的禁带宽度（3eV），在可见光范围内透明，结合透明电极（如ITO）可实现完全透明的电子器件智能窗户、透明显示、增强现实AR眼镜等新兴应用领域对透明半导体需求快速增长气体传感器SnO₂、ZnO、In₂O₃等金属氧化物半导体对气体分子敏感，可用于制造高性能气体传感器在空气质量监测、工业安全、医疗诊断等领域有广泛应用氧化物半导体气体传感器市场规模2024年已超过20亿美元氧化物半导体具有工艺简单、可低温制备、大面积制造成本低等优势，是柔性电子和大面积电子学的理想材料近年来，通过掺杂和复合优化，氧化物半导体的性能持续提升，应用领域不断拓展有机半导体材料及特点有机半导体基本概念有机半导体的独特特点有机半导体是基于碳原子的π共轭有机分子或高分子，通过分子间的弱相互作用柔性可弯曲（如范德华力）形成固体，其电学性能由分子结构和分子排列方式决定分子间弱相互作用使有机半导体具有优异的机械柔性，可根据分子量大小，有机半导体可分为弯曲、折叠甚至拉伸，是柔性电子的核心材料小分子有机半导体如五苯、酞菁铜、芘等，通常通过真空蒸发沉积成膜溶液加工能力聚合物有机半导体如聚噻吩、聚苯撑乙炔等，可通过溶液法加工成膜与传统无机半导体相比，有机半导体的载流子迁移率较低（通常

0.1-许多有机半导体可溶于有机溶剂，可通过喷墨打印、涂布10cm²/V·s），但具有独特的柔性、可溶液加工、低温制备等优势等低成本方法大面积制备，极大降低制造成本分子设计多样性通过分子结构设计可精确调控电学、光学性能，为特定应用定制材料特性已合成的有机半导体超过10,000种用有机半导体OLED亿台万台亿美元880060%450年产量OLED电视高端市场份额市场规模2024年全球OLED面板年产量预计全球OLED电视年销量突破800万在1000美元以上高端智能手机市2024年全球OLED产业规模预计达超过8亿台，其中智能手机OLED面台，LG、索尼、三星等品牌持续推场，OLED屏幕占有率已超过60%，450亿美元，年增长率保持在15%以板占比超过70%出新品成为高端显示的标配上OLED显示技术采用有机电致发光材料，具有自发光、高对比度、广色域、快速响应、柔性可弯曲等优势目前，韩国企业在OLED面板生产领域占据主导地位，中国企业正在快速追赶，在中小尺寸OLED面板领域已取得突破未来，印刷OLED技术有望大幅降低生产成本，进一步扩大OLED的应用范围二维半导体材料综述二维材料基本概念二维材料是指在垂直方向上厚度为单原子或几个原子层的材料，横向尺寸可达微米至毫米量级由于量子限制效应，二维材料表现出与体相材料完全不同的物理、化学性质主要类型•石墨烯单层碳原子蜂窝状结构，零带隙，超高载流子迁移率•过渡金属硫族化合物TMDs MoS₂、WS₂、WSe₂等，可调带隙•黑磷直接带隙半导体，带隙可从

0.3eV调节至

2.0eV•h-BN宽禁带（

5.9eV）二维绝缘体，常用作衬底材料二维材料厚度通常在

0.5-2nm之间，理论上可实现极限尺寸的器件结构，有望突破传统半导体的物理极限同时，二维材料的超薄特性也带来了优异的柔性和透明性，适合柔性电子和透明电子应用石墨烯材料特性石墨烯的惊人特性石墨烯的挑战与应用石墨烯是已知自然界中最薄、最坚固的材料，由单层碳原子以sp²杂化形尽管石墨烯具有卓越的物理性能，但其零带隙特性限制了在数字逻辑电成蜂窝状六角结构2004年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次从路中的应用目前研究主要集中在石墨中分离出石墨烯，并因此获得2010年诺贝尔物理学奖带隙工程通过掺杂、应变、纳米结构化等方法打开带隙石墨烯具有一系列令人惊叹的物理特性异质结构与其他二维材料形成范德华异质结构功能化修饰通过化学修饰调控电子结构•载流子迁移率超过

2.5×10⁵cm²/V·s，是硅的200倍以上•热导率约5000W/m·K，是铜的10倍以上目前石墨烯已在多个领域实现商业应用•抗拉强度达130GPa，是钢的100倍以上•透明导电膜触摸屏、柔性显示•透光率高达

97.7%，同时具有优异的导电性•传感器气体传感、生物传感•理论比表面积达2630m²/g，是已知材料中最高的•复合材料提高强度和导电性•储能材料超级电容器、锂离子电池过渡金属硫族化合物（TMDs）MoS₂结构特性二硫化钼是最具代表性的TMD材料，单层MoS₂由一层Mo原子夹在两层S原子之间形成三明治结构，层厚约

0.65nm从体相材料转变为单层时，MoS₂从间接带隙（

1.2eV）变为直接带隙（

1.8eV），大幅提升光电转换效率亚10nm场效应管TMD材料具有原子级厚度和天然无悬挂键的表面，理论上可将晶体管沟道长度缩小至极限尺寸实验室已实现2nm沟道长度的MoS₂晶体管，远超传统硅基器件的极限低功耗、高性能的TMD晶体管是后摩尔时代的重要研究方向柔性光电子器件TMD材料的机械柔性和直接带隙特性使其成为柔性光电器件的理想材料基于WS₂的柔性光电探测器响应度可达10⁸A/W，远高于传统器件TMD材料在可穿戴设备、物联网传感器等新兴领域具有广阔应用前景其他高新材料案例黑磷（Black Phosphorus）MXene材料黑磷是近年来兴起的新型二维半导体材料，具有层状结构，可通过机械MXene是一类新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，通常表示剥离或液相剥离获得少层或单层黑磷（磷烯）为Mn+1XnTx（M为过渡金属，X为C或N，T为表面官能团）黑磷的最大特点是具有可调的直接带隙，从体相的

0.3eV到单层的约MXene材料具有优异的导电性（高达近10,000S/cm）、丰富的表面化学

2.0eV，覆盖了从红外到可见光的宽广光谱范围这一特性填补了石墨烯特性、良好的机械性能和高比表面积，在电磁屏蔽、储能、催化和传感（零带隙）和TMDs（

1.5-

2.5eV带隙）之间的能隙空白等领域显示出巨大潜力黑磷的电子迁移率可达1000cm²/V·s，高于大多数TMD材料，同时具有强Ti3C2Tx是研究最广泛的MXene材料，已用于制造高性能超级电容器（体烈的各向异性，在不同晶向上电学和光学性能差异显著积能量密度可达1000F/cm3）和电磁屏蔽材料（屏蔽效能90dB）目前黑磷最大的挑战是环境稳定性差，容易与氧气和水反应降解，需要通过封装或表面功能化提高稳定性化合物半导体的主流制备工艺液相外延（LPE）将原料熔化在溶液中，控制温度使半导体材料在衬底上结晶生长优点是设备简单、成本低；缺点是生长速率控制困难，界面不够平整，多用于LED等对界面要求不严格的器件分子束外延（MBE）在超高真空条件下（10⁻¹⁰~10⁻¹¹Torr），将原料加热蒸发形成分子束，在衬底表面沉积结晶优点是界面平整度高、纯度高、可原子级精确控制；缺点是设备昂贵、生长速率慢，主要用于高端研究和特种器件金属有机化学气相沉积（MOCVD）使用金属有机化合物作为前驱体，在高温下分解并在衬底上沉积形成晶体优点是生长速率快、可大规模生产、界面质量好；缺点是前驱体价格高、安全要求严格目前是III-V族和II-VI族化合物半导体产业化生产的主流技术MOCVD技术在GaN、GaAs等化合物半导体生产中应用最为广泛，全球约70%的LED和90%的高端射频器件采用MOCVD工艺制造近年来，随着对更高质量、更大尺寸衬底的需求增长，MOCVD设备向更大腔体、多片生长、自动化控制方向发展单晶材料的生长方法直拉法（CZ法）布里奇曼法悬浮区熔法将原料置于尖底坩埚中加热熔化，然后在温度梯度中缓慢降温或移动坩埚，从尖底开始结晶，逐渐形成整块单晶优点设备简单，成本低，适合GaAs等化合物半导体生长缺点晶体尺寸受坩埚限制，接触坩埚可能引入杂质不使用坩埚，通过射频感应或光加热形成一个窄的熔融区，熔融区在多晶棒上移动，在籽晶上重结晶形成高纯度单晶优点无坩埚污染，纯度极高，用于制造半导体级和太阳能级硅缺点尺寸受限，生产效率低，成本高薄膜半导体制备技术物理气相沉积（PVD）化学气相沉积（CVD）包括溅射、蒸发等方法，通过物理过程将目标利用气态前驱体在衬底表面发生化学反应形成材料转移到衬底表面形成薄膜溅射法利用高固态薄膜根据反应条件不同，分为常压能离子轰击靶材，使靶材原子溅射沉积；蒸发CVD、低压CVD、等离子体增强CVD等硅基法则通过加热使材料蒸发再凝结PVD适用于集成电路制造中的多晶硅、二氧化硅、氮化硅金属、氧化物等多种材料，是显示面板和光伏等薄膜大多采用CVD工艺CVD可实现优异的电池制造的关键工艺阶梯覆盖性和高纯度薄膜溶液法原子层沉积（ALD）包括溶胶-凝胶法、喷墨打印、旋涂等，通过通过交替通入不同前驱体气体，利用自限制表液相前驱体在衬底上成膜后热处理形成半导体面反应逐层生长薄膜，可实现原子级精确控制薄膜溶液法工艺简单、成本低，适合大面积膜厚ALD工艺生长的薄膜具有优异的均匀制备，是有机半导体、氧化物半导体和新型印性、共形性和致密性，是先进逻辑器件高k栅刷电子的重要工艺但膜质量和一致性通常不介质、金属栅极等关键材料的核心制备技术如气相沉积方法新型半导体材料物理性能对比材料禁带宽度eV载流子迁移率cm²/V·s击穿电场MV/cm热导率W/cm·K介电常数Si

1.

1214500.

31.

511.9Ge

0.

6739000.

10.

616.0GaAs

1.

4285000.

40.

512.94H-SiC

3.

266502.

84.

99.7GaN

3.

410003.

32.

59.0AlN

6.

230012.

03.

48.5Ga₂O₃

4.

82008.

00.

210.0石墨烯0200,000-50-MoS₂单层

1.8100-

0.

857.0从物理性能对比可见，不同材料各有优势硅在成熟度和成本上占优；GaAs在高频应用中表现突出；SiC和GaN在高温、高压应用中具有明显优势；二维材料则在极限尺寸和新奇物理特性方面独树一帜实际应用中需要综合考虑材料特性、工艺成熟度、成本和应用需求，选择最适合的材料未来半导体产业将呈现多材料融合的发展趋势，不同材料在各自优势领域发挥作用新型材料的加工与集成难点缺陷控制掺杂与接触新型半导体材料通常面临各种缺陷控制挑战新型材料面临的掺杂与接触难题•宽禁带半导体的掺杂能级深，激活效率低•SiC中的微管缺陷和基底位错影响击穿电•二维材料的超薄特性使传统离子注入掺杂压难以实现•GaN中的位错密度（10⁶~10⁹cm⁻²）远•金属/半导体接触势垒高，形成欧姆接触高于硅（10³cm⁻²）困难•二维材料的晶界、褶皱、悬挂键等影响电解决方案包括高温退火、表面修饰、隧穿接子传输触、转移掺杂等新型技术缺陷控制需要从衬底选择、生长条件优化、后处理工艺改进等多方面入手异质集成将新型材料与现有硅基工艺兼容集成面临挑战•晶格失配导致应力和缺陷•热膨胀系数差异引起界面开裂•工艺温度不兼容（硅工艺450°C，SiC需1400°C）解决方案晶圆键合、缓冲层生长、选区外延、三维集成等技术路线室温、极端环境材料挑战极端环境下的半导体材料需求宽禁带半导体的极端环境应用在航空航天、核工业、深海探测、地热开发等领域，电子设备需要在极宽禁带半导体在极端环境中表现出色端环境条件下可靠工作•SiC器件可在250°C以上稳定工作数万小时，已应用于航空发动机监高温环境航空发动机（450°C）、钻井设备（200°C）控系统低温环境太空探测（-270°C）、量子计算（接近绝对零度）•GaN的耐辐射性远优于硅，在卫星电源系统中应用逐渐增加强辐射环境核电站、航天器（高能粒子辐射）•金刚石半导体理论工作温度可达1000°C以上，是未来极端环境电子的理想材料高压环境深海探测（1000个大气压）传统硅基器件在这些极端环境下性能急剧下降甚至完全失效实际案例美国毅力号火星探测器搭载的SiC功率器件，在火星极端温差环境中可靠工作；日本福岛核电站事故后，SiC基辐射探测器成为监测高辐射区域的关键设备性能检测与表征手段电子显微技术晶体结构分析电学特性表征SEM（扫描电子显微镜）可观察材料表面形貌，XRD（X射线衍射）是表征晶体结构的基本手霍尔效应测量是确定载流子浓度和迁移率的标准分辨率可达1-10nm；TEM（透射电子显微镜）段，可确定晶相组成、晶粒尺寸和取向；XPS方法；CV（电容-电压）测量可分析能带结构和可观察晶格结构和原子排列，分辨率可达（X射线光电子能谱）可分析表面元素组成和化界面态；DLTS（深能级瞬态谱）可分析深能级

0.1nm，支持原子级观察；FIB（聚焦离子束）可学状态；拉曼光谱对二维材料特别有效，可确定缺陷；四探针法测量电阻率；探针台结合参数分进行纳米级材料加工和断面制备层数和应力状态析仪可进行器件性能评估主流新型半导体芯片实例SiC MOSFETs（电动汽车）GaN HEMT（5G基站、快充）碳化硅功率MOSFET是电动汽车逆变器氮化镓高电子迁移率晶体管在5G基站的关键器件以特斯拉Model3为例，功率放大器中应用广泛华为5G基站其采用ST Microelectronics的1200V采用自研GaN HEMT功率放大器，工作SiC MOSFET，相比传统Si IGBT，能量频率达

3.5GHz，功率效率提升15%，单损耗降低80%，开关频率提高3倍，体站功耗降低20%在消费电子领域，基积减小40%，显著提升了电动车的续航于GaN的65W-240W快充产品已大量上里程预计到2026年，全球50%以上的市，充电效率提升30%，体积减小60%，电动车将采用SiC功率器件已成为高端手机标配IGZO TFT（高端面板）铟镓锌氧化物薄膜晶体管是高端显示面板的核心背板技术苹果iPad Pro采用夏普提供的IGZO背板，电子迁移率达30cm²/V·s，是非晶硅的10倍以上，支持高刷新率（120Hz）和低功耗三星、LG的OLED电视也广泛采用IGZO背板技术，实现4K/8K超高清分辨率新型材料助力芯片尺寸微缩先进工艺节点的挑战新材料解决方案随着芯片制程进入5nm及以下时代，传统硅基材料面临严峻挑台积电和三星的3nm工艺采用多项新型材料技术突破物理限制战硅锗（SiGe）沟道提高载流子迁移率，台积电3nm N3工艺中SiGe含量提升至量子效应沟道尺寸接近电子德布罗意波长，量子隧穿效应导致60%漏电流增加III-V族材料英特尔研究在硅衬底上集成InGaAs作为NMOS沟道材料短沟道效应传统平面晶体管在极小尺寸下难以有效控制沟道高k栅介质HfO₂基介质取代SiO₂，减小漏电流金属栅极TiN、TaN等金属材料取代多晶硅栅极功耗热墙芯片功耗密度接近空气冷却的物理极限钴互连在细线互连中用钴替代铜，减小RC延迟互连延迟随着尺寸缩小，RC延迟占主导地位碳纳米管互连比铜导电性更好，可解决高密度互连散热问题二维材料如MoS₂理论上可实现极限尺寸的原子级厚度晶体管，有望在后摩尔时代发挥关键作用先进半导体材料在芯片领域AI高速计算需求人工智能芯片对计算速度要求极高，尤其是大型语言模型训练需要数千PFLOPS算力传统架构下，互连延迟和存储墙成为瓶颈新型半导体材料提供了新的解决方案，例如超导量子比特可实现量子计算，相变材料存储器可实现存内计算能效挑战AI模型训练和推理的能耗巨大，ChatGPT-4训练能耗据估计超过50万千瓦时宽禁带半导体如GaN、SiC在电源转换中可提高效率10-15%；新型存储器如MRAM、ReRAM可大幅降低存储能耗；光电集成芯片可实现超低功耗互连异构集成未来AI芯片趋向异构集成，不同功能模块采用最适合的材料例如，逻辑核心仍采用先进硅工艺，高速互连采用光互连，存储采用新型非易失存储器，模拟计算采用相变材料或忆阻器硅光子、3D封装等技术是实现异构集成的关键英伟达最新H100AI芯片采用台积电4nm工艺，集成800亿晶体管，功耗高达700W，其中已应用多项新型材料技术谷歌TPU v4采用液冷系统解决高功耗问题未来AI芯片将更多依赖材料创新突破计算瓶颈功率半导体材料市场规模SiC器件市场亿美元GaN器件市场亿美元第三代半导体材料产业格局全球主要企业分布中国产能发展情况SiC领域中国在第三代半导体领域投入巨大，已成为全球增长最快的市场美国Wolfspeed（原Cree）、On Semi（收购GT Advanced）SiC产能欧洲STMicroelectronics、Infineon•三安光电6英寸SiC衬底年产能达10万片，器件产能逐步扩大日本罗姆（ROHM）、三菱电机•山东天岳6英寸SiC衬底产能3万片/年，正在建设产能30万片/年的中国三安光电、中车时代电气、山东天岳生产线GaN领域•中车时代电气已具备SiC功率模块批量生产能力GaN产能美国Qorvo、Navitas、EPC欧洲STMicroelectronics、Infineon•华为与中微半导体合作，开发GaN射频和功率器件日本松下、东芝•纳微半导体已量产650V GaN功率器件中国纳微半导体、GaN Systems中国、苏州能讯•苏州能讯成功开发100V-650V系列GaN器件中国在SiC、GaN材料领域与国际先进水平差距正在缩小，但在器件设计和系统应用方面仍存在一定差距半导体材料供应链风险原料瓶颈新型半导体材料的上游原料供应存在集中风险例如，全球99%的半导体级多晶硅由中国、德国、美国、韩国四国生产；氮化镓制备所需的高纯金属镓90%以上产自中国；SiC器件所需的高纯碳粉主要来自日本东海碳素2022年以来，美国对华芯片出口管制扩大至部分关键材料领域，如镓、锗等金属，增加了全球供应链风险地缘政治影响半导体材料生产地理分布不均，容易受地缘政治冲突影响乌克兰冲突导致氖气（芯片制造关键气体）供应紧张；台海局势紧张影响全球晶圆产能；中美贸易摩擦导致设备和材料受限各国正积极推动半导体材料本土化生产，美国《芯片法案》投入500亿美元支持本土产业；欧盟《芯片法案》投入430亿欧元；日本和韩国也加大投资本土产业链芯片荒教训2021-2023年全球芯片短缺危机暴露了半导体供应链的脆弱性汽车芯片短缺导致全球多家汽车厂减产；工业控制芯片交期延长至52周；消费电子产品价格上涨15-30%危机后，各国和企业纷纷调整策略建立战略库存、多源供应、签订长期协议、提前支付定金锁定产能，以及更加重视本地供应链建设新型材料的碳中和与绿色制备半导体制造的碳排放挑战绿色制备技术创新半导体制造是能源密集型产业，碳排放主要来源于低能耗MOCVD新一代MOCVD设备采用优化反应腔设计和高效加热系统，能耗降低30%以上•高能耗设备（MOCVD、外延炉、离子注入机等）绿色溶胶法采用水相反应制备氧化物半导体，替代传统高温气相法，•超纯水和气体制备能耗降低80%，无有机溶剂排放•洁净室环境控制（24小时运行）•高全球变暖潜能值（GWP）气体使用（NF₃、SF₆等）再生能源使用台积电承诺2030年使用100%绿色电力；三星、英特尔等也制定类似目标以SiC单晶生长为例，传统方法需要2000°C以上高温，能耗是硅单晶生长的3-5倍全生命周期优化新型半导体虽然制造过程能耗高，但应用阶段节能效果显著例如，SiC功率器件在电动汽车中使用3年可抵消其额外制造碳碳化硅单晶制备的碳排放量约为同等体积硅的4倍，这部分增加的碳排放排放需要在全生命周期评估中考虑循环经济半导体级硅回收再利用技术已经成熟，SiC、GaN等新型材料的回收技术正在研发中新型材料在显示技术中的应用OLED有机发光二极管技术使用有机半导体材料作为发光层，具有自发光、高对比度、广色域和柔性等特点近年来通过材料创新，蓝光OLED寿命从初期的数千小时提升至10万小时以上；效率提升30%以上；柔性可弯曲半径从初期的数厘米缩小至2mm以下QLED量子点LED采用无机量子点材料如CdSe、InP作为发光层，亮度和色彩表现优异新一代无镉量子点材料解决了环保问题；量子点电致发光效率从早期的2%提升至现在的20%以上三星、TCL等品牌已推出量子点显示产品MicroLED微型LED采用GaN基材料制作微米级LED阵列，具有超高亮度、超长寿命和极高能效技术挑战在于巨量转移和良率控制苹果已将MicroLED应用于Apple WatchUltra，三星推出了模块化The Wall显示系统，未来有望在AR/VR领域广泛应用柔性显示是当前研究热点，采用聚酰亚胺（PI）等柔性基板，结合LTPO低温多晶氧化物TFT背板和柔性封装技术，实现可弯曲、可折叠的显示设备三星Galaxy Z系列、华为Mate X系列等折叠屏手机已商业化未来，可拉伸显示将成为下一代技术，有望实现拉伸率大于20%的显示设备传感器与MEMS微纳制造材料压力传感器SiC基压力传感器可在800°C以上高温环境工作，主要应用于航空发动机监控、工业窑炉、汽车排气系统等极端环境相比传统硅基传感器，温度范围提高了3倍，寿命延长5倍以上GE、霍尼韦尔等公司已将SiC压力传感器应用于航空领域气体传感器氧化物半导体如SnO₂、ZnO、In₂O₃等是气体传感器的主流材料通过纳米结构设计和掺杂改性，实现对特定气体的高选择性检测新型二维材料气体传感器灵敏度可达ppb级，是传统传感器的100倍石墨烯气体传感器对NO₂的检测限可低至10ppb惯性传感器硅基MEMS加速度计和陀螺仪是智能手机、可穿戴设备的核心部件新材料如单晶石英、AlN等压电材料正替代硅应用于高精度惯性传感器压电MEMS陀螺仪角度随机游走ARW可达

0.002°/√h，精度提升10倍，主要用于无人驾驶和精密导航生物传感器有机半导体和二维材料在生物传感器领域应用广泛石墨烯基生物传感器可检测血糖、蛋白质、DNA等生物分子，灵敏度比传统电极提高100倍柔性有机半导体可制作贴合皮肤的可穿戴健康监测设备，已在连续血糖监测系统中商业化应用生物医疗半导体材料生物兼容半导体可降解电子器件传统半导体材料如硅在生物环境中容易被降解或引起排斥反应，新型生可降解电子器件在完成特定功能后可在体内或环境中安全降解，无需二物兼容半导体材料正在改变医疗电子学的未来次手术取出，是未来医疗电子的重要方向氧化物半导体ZnO、In₂O₃等氧化物在生理环境下稳定，且部分具有材料选择抗菌特性，适合用于体外或短期植入设备•半导体Si、ZnO、Mg、Mo等可降解金属和氧化物有机半导体PEDOT:PSS等导电聚合物具有良好的生物兼容性和柔性，•介电层丝蛋白、明胶等生物高分子可用于神经电极和生物传感器•导体Mg、Zn、Mo等可降解金属碳基材料石墨烯、碳纳米管等碳基材料具有优异的生物兼容性和电学性能，适合神经界面和生物传感应用•基板PLGA、PCL等可降解聚合物典型应用神经电极是生物兼容半导体的重要应用领域传统金属电极在长期植入后会形成瘢痕组织，影响信号质量；而碳纳米管复合电极可减少免疫反•可降解脑内压传感器监测颅内压后自动降解应，保持长期稳定性•可降解温度传感器监测术后感染•可降解神经刺激器促进神经再生后降解•药物缓释控制系统按程序释放药物后降解射频光电半导体材料创新/GaN微波射频器件InP光通信芯片GaN HEMT在5G/6G通信系统中占据核心地位磷化铟是高速光通信的核心材料•支持100Gbps以上单通道数据率•功率密度高达10W/mm，是GaAs的5倍•400G/800G数据中心多采用InP激光器•工作频率已突破100GHz，支持毫米波通信•与硅光子集成，实现异质集成光电芯片•5G基站射频前端已大规模采用GaN PA•超低损耗适合长距离光纤通信•相控阵雷达正从GaAs向GaN转变随着数据中心流量爆发增长，InP光电芯片市场Wolfspeed、Qorvo、海思等厂商的GaN射频器以30%以上速度增长件已大规模应用于通信和雷达领域量子信息材料量子计算和量子通信对材料提出极高要求•超导量子比特铝、铌等超导材料•拓扑量子比特InAs/Al异质结构•自旋量子比特同位素纯化的硅-28•单光子源InAs量子点、色心金刚石谷歌、IBM等公司已实现超过100个量子比特的处理器柔性电子与可穿戴材料有机/二维半导体基础柔性电子的核心在于柔性半导体材料有机半导体TIPS-pentacene、P3HT等电子迁移率已达5-10cm²/V·s；二维材料MoS₂、WSe₂等在弯曲状态下仍保持优异的电学性能；纳米线网络如AgNW提供兼具柔性和高导电性的电极材料印刷电子工艺印刷工艺是柔性电子制造的关键喷墨打印可实现5μm分辨率图案化；网版印刷适合大面积电极制备；凹版印刷适合高精度图案化；卷对卷工艺可实现连续大面积生产，极大降低成本这些工艺使柔性电子器件制造成本降低90%以上商业化应用柔性电子已进入商业化阶段三星Galaxy Z系列折叠屏手机采用超薄玻璃UTG和柔性OLED技术；医疗级电子皮肤可实时监测心电、体温、血氧等生理指标；智能服装集成柔性传感器监测运动状态；电子纹身可检测肌电信号，实现人机交互柔性电子的机械特性指标不断提升早期柔性器件弯曲半径在厘米级，现已达到毫米级；耐弯折次数从初期的数千次提升至现在的数十万次；部分可拉伸电子器件已实现20%以上的拉伸率这些进步使柔性电子在医疗、穿戴、显示等领域的应用潜力大幅提升智能终端与消费电子材料突破折叠屏技术折叠屏手机采用多层复合柔性材料聚酰亚胺PI基板提供基础柔性支撑；铟锡氧化物ITO替代物如银纳米线、金属网格作为透明电极；有机发光材料如磷光铱配合物提供高效发光；超薄玻璃UTG或着色聚酰亚胺作为保护层三星、华为、小米等品牌的折叠屏手机已进入商业化透明电子透明电子利用宽禁带氧化物半导体如IGZO、ZnO等，结合透明导电氧化物TCO电极，实现肉眼不可见的功能性电子元件透明显示屏、透明太阳能电池、智能窗户等产品已进入市场小米发布的透明电视采用微透明OLED技术；部分高端汽车已采用透明抬头显示HUD热管理材料随着智能手机处理器功耗增加，热管理成为关键挑战人工合成金刚石导热系数高达2000W/m·K，是铜的5倍；石墨烯薄膜导热系数达1500-2000W/m·K，厚度仅μm级；相变材料PCM可在温度升高时吸收大量热量苹果iPhone15Pro采用钛合金中框和石墨散热片提升散热性能新能源与储能半导体材料钙钛矿太阳能电池SiC在光伏逆变器中的应用钙钛矿太阳能电池是近十年来光伏领域最重要的突破，基于有机-无机杂化钙钛矿碳化硅功率器件正在革新光伏逆变器技术材料如CH₃NH₃PbI₃99%50%钙钛矿电池优势•实验室效率已达

25.7%，接近单晶硅

26.7%转换效率体积减小•可低温溶液法制备，成本潜力远低于硅电池•禁带宽度可调

1.2-

2.3eV，适合叠层电池SiC逆变器效率可达99%以上，比传统采用SiC器件的逆变器体积可减小50%，硅基逆变器提高1-2个百分点重量减轻40%•轻量化，重量仅为硅电池的1/10钙钛矿/硅叠层电池效率已达

29.8%，突破单结极限牛津PV、Saule20kHz+Technologies等公司已开始小规模商业化生产开关频率SiC逆变器开关频率可达20kHz以上，大幅减小无源器件体积华为、阳光电源等厂商的SiC光伏逆变器已广泛应用于大型光伏电站，相比传统逆变器，每年可增加发电量2-3%，加速投资回收未来智能交通半导体材料电动汽车功率模块SiC功率模块是电动汽车的核心部件，负责电机驱动和电能管理特斯拉Model3/Y率先大规模采用SiC MOSFET，能量转换效率提升15%，续航里程增加10%预计到2027年，全球70%以上高端电动车将采用SiC功率器件近期，Wolfspeed、英飞凌等公司推出1200V/1700V SiC模块，特别适合800V高压平台电动车轨道交通高速列车和城市轨道交通的牵引系统对功率半导体要求极高SiC在轨道交通中应用可节能15-30%，减小变流器体积50%中国中车已在复兴号高铁上试用SiC牵引系统，实现优异性能日本新干线N700S系列采用全SiC牵引系统，能耗降低20%，变流器重量减轻40%，维护周期延长300%智能交通传感芯片自动驾驶和智能交通系统需要大量先进传感器氮化镓GaN基毫米波雷达可探测距离提升30%，分辨率提高50%；碳化硅SiC基紫外探测器可在恶劣环境下稳定工作；CMOS图像传感器结合量子点材料，实现夜视和低光性能提升；MEMS传感器集成高精度陀螺仪和加速度计，为自动驾驶提供关键位置信息半导体材料相关政策与标准中国政策美国与欧盟政策中国政府高度重视新型半导体材料发展美国政策•《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出•《芯片与科学法案》投入527亿美元支持半导体产业对关键材料企业减免所得税•PowerAmerica项目专项支持SiC、GaN产业化•《第三代半导体产业发展路线图》规划2030年形成完整产业链•国防部设立微电子创新计划，重点支持GaN射频、抗辐射芯片•国家科技重大专项投入超过千亿支持半导体材料研发•能源部投资高性能计算和量子材料研发•地方政府设立专项基金，如上海集成电路基金超千亿规模欧盟政策国家标准委已发布多项SiC、GaN相关标准，规范产业发展•《欧洲芯片法案》投入430亿欧元•Horizon Europe框架重点支持材料创新•欧洲投资银行提供低息贷款支持半导体厂商各国政策导向逐渐从追赶硅基技术转向领跑新型半导体新型材料科研热点追踪顶级期刊研究趋势2024-2025年《自然》《科学》《Nature Materials》等顶级期刊发表的半导体材料研究主要集中在以下方向二维异质结构扭转角度调控的莫尔超晶格，实现超导、拓扑绝缘、量子自旋霍尔效应等奇异量子态拓扑量子材料魏尔半金属、拓扑绝缘体等新型拓扑材料，为量子计算提供硬件基础超宽禁带半导体Ga₂O₃、金刚石半导体等材料的缺陷工程与器件物理神经形态材料忆阻器、相变材料等适合类脑计算的新型器件关键技术挑战当前科研界面临的主要技术挑战大尺寸单晶生长解决SiC、GaN等材料的大尺寸缺陷控制问题精确掺杂控制纳米尺度下的精确掺杂分布与激活界面物理异质界面的电荷转移、能带弯曲与界面态控制原子级薄膜二维材料的大面积均匀生长与转移极端条件表征高温、高压、高辐射下的原位表征技术材料计算与设计人工智能正加速材料创新材料基因组计划高通量计算筛选新型半导体材料机器学习预测预测材料性能，缩短研发周期80%自动化实验机器人合成与表征系统，24小时不间断实验量子化学计算更准确模拟电子结构，预测材料特性新型半导体材料面临的挑战工艺放大实验室创新从实验室到工业化生产面临巨大挑战二维材料目前仍难以实现大面积均匀生长；SiC新材料通常在实验室小尺寸样品上表现出色，但面临可重复性和稳定性挑战例如，衬底6英寸以上尺寸的微管缺陷密度仍然较高；新型氧化物半导体的成分和厚度均匀性2023年发表的新型量子点半导体在实验室中效率达到28%，但环境稳定性仅数小时；控制难度大某知名企业在GaN功率器件产业化过程中，良率从实验室的85%下降到首单层MoS₂晶体管在实验室中迁移率达120cm²/V·s，但批量制备样品通常只有20-次量产的15%，经过两年工艺优化才恢复到65%50cm²/V·s生态建设可靠性验证新材料需要完整的产业生态支持包括专用设计工具、封装材料、测试设备、应用电新材料的长期可靠性数据不足，制约大规模应用SiC功率器件的栅氧可靠性、阈值电路等配套环节例如，SiC功率器件的普及受限于专用驱动IC、散热材料和封装技术；压漂移等问题仍未完全解决；GaN HEMT的电流坍塌效应影响长期稳定性；有机半导二维材料商业化受限于缺乏标准化的设计库和工艺设计套件PDK一项新材料从实验体的环境稳定性不足完整的可靠性验证通常需要3-5年时间，远超实验室研发周期室走向市场通常需要15-20年时间，需要全产业链共同推进新材料通向未来半导体之路产业升级案例初创企业与创新力量通过新材料实现产业跨越新材料创业浪潮特斯拉案例率先大规模采用SiC功率器件，从2017年Model3开始引入GaN Systems专注于GaN功率器件，2023年被Infineon以

8.3亿美元收SiC逆变器，相比竞争对手提升15-20%能效，建立技术护城河购苹果案例在iPad Pro系列率先采用IGZO背板技术，实现120Hz刷新率Navitas GaN快充芯片领导者，通过SPAC上市，市值超20亿美元和低功耗，显示性能领先行业2-3年Quantum Scape开发固态电池，与大众汽车合作华为案例在5G基站中大规模应用GaN功率放大器，大幅降低能耗，获北京世纪金光碳化硅单晶生长设备制造商，填补国内空白得市场竞争优势科研院所与产业的协同创新加速了技术转化这些成功企业的共同点是敢于在新材料技术成熟度曲线的早期阶段投•中科院与三安光电共建第三代半导体联合创新中心入，虽然面临风险，但获得了先发优势•美国PowerAmerica联盟连接大学和产业界•德国弗劳恩霍夫研究所与工业界紧密合作结语新型半导体材料展望12025-2030超宽禁带半导体成熟期SiC和GaN器件将在电动汽车、5G/6G通信、工业电源等领域全面渗透8英寸SiC晶圆将实现规模化生产，价格下降50%以上第三代半导体产业规模将突破500亿美元22030-2035二维材料商业化二维材料将开始在特定领域实现商业化应用，包括高性能传感器、柔性电子、极限尺寸逻辑器件等石墨烯基导热材料、电磁屏蔽材料将大规模应用于消费电子产品32035-2040量子材料与神经形态计算基于量子材料的计算芯片将实现特定问题的量子优势；类脑神经形态计算芯片将在AI边缘计算中广泛应用；新型计算范式将突破传统冯·诺依曼架构的限制42040年以后融合与颠覆生物-电子-光学材料的融合将催生全新应用领域；分子级和原子级的材料操控将成为可能；量子计算和类脑计算将重新定义半导体产业边界新型半导体材料是推动产业变革的核心驱动力，将带来电子、能源、通信、交通、医疗等多领域的革命性变化持续创新是半导体行业的生命线，唯有不断探索新材料、新结构、新工艺，才能突破现有技术瓶颈，开创半导体技术的新纪元谢谢聆听主要内容回顾联系与合作•我们系统介绍了半导体材料的发展历程如有任何问题或合作意向，欢迎通过以下方式联系•详细讲解了SiC、GaN等超宽禁带半导体特性邮箱semiconductor@materials.edu.cn•探讨了有机半导体与二维材料的前沿进展网站www.newmaterials.ac.cn•分析了新型材料在各行业的应用案例•展望了半导体材料的未来发展趋势微信公众号新型半导体前沿新型半导体材料代表着电子工业的未来发展方向，将为人类社会带来更更多学习资源可扫描右侧二维码获取高效、更智能、更环保的技术解决方案期待与您共同探索半导体材料的无限可能！。