随着半导体工艺逼近物理极限，摩尔定律的持续性受到挑战。后摩尔时代的到来，预示着半导体材料和器件技术将面临新的创新需求。摩尔定律曾是半导体行业的黄金法则，但随着工艺节点的不断缩小，其发展速度逐渐放缓。在后摩尔时代，宽禁带半导体材料如碳化硅、氮化镓和金刚石等，因在高频、高功率和高温环境下的优异性能，成为研究的热点。目前，宽禁带半导体材料的发展仍面临技术成熟度不足、应用成本高、产业生态不完善等挑战。仍需从产业链协同发展、核心技术攻关、创新发展模式等方面积极寻找新技术、新方法和新路径。
宽禁带半导体材料的应用现状
碳化硅、氮化镓、金刚石等宽禁带半导体，因独特的物理和化学性质，被视为后摩尔时代的重点发展方向。相对于硅材料，宽禁带半导体具有很多优点，特别是在大功率、高频、高速、高温应用方面具有优异的表现，可填补硅基材料无法工作的领域。
（一）短期来看，基于现有制程的硅基材料通过结构改进和器件创新仍有一定发展潜力。硅基半导体材料的制造工艺已经非常成熟，广泛应用于各种电子产品中，市场需求巨大。目前，硅基材料通过工艺优化、器件结构创新、异质集成、堆叠芯片等方面来进一步提升器件性能，发挥材料的潜力。一是工艺优化，通过持续优化现有的硅基半导体制造工艺，比如改进掺杂技术、蚀刻过程和薄膜沉积技术，可以进一步提升硅基器件的性能。二是器件结构创新，例如通过开发新型的晶体管结构，如finfet、gaa（gate-all-around）等，可以继续缩小晶体管尺寸，提高集成电路的性能和能效。三是异质集成，可以结合不同材料的优势，开发出性能更优的电子器件。四是设计创新，通过改进电路设计和系统架构，可以更好地利用现有硅基材料的性能，开发出更高效的电子系统。
（二）以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料已经在高温、高频、大功率器件制造中展现出巨大的潜力和优势。如表1所示，与硅基材料相比，碳化硅和氮化镓因具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等，在高温、高压、高频等极端环境下表现出色。目前，碳化硅半导体材料发展较为成熟，其禁带宽度大、热导率高、电子饱和迁移率高、击穿电场强、抗辐射能力强，主要用于制作碳化硅功率器件和射频器件，已经在电动汽车、智能电网、航空航天等领域得到了广泛应用。氮化镓是一种新兴的半导体材料，其禁带宽度适中、电子迁移率高，可以通过调整组分来实现不同的导电类型。氮化镓基半导体器件具有高功率密度、高效率、低开关损耗等优点，主要应用在电源管理、无线通信等领域。目前，氮化镓功率器件已经在智能手机、数据中心、电动汽车等领域得到了应用，并且随着技术的进步，应用领域还将进一步拓宽。
（三）以金刚石为代表的超宽禁带半导体材料优势明显极具潜力。金刚石作为禁带宽度为5.5ev的超宽带隙半导体材料，具有高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等优异物理特性，是下一代微电子和光子器件的理想材料，也被誉为“终极半导体材料”。相比于 si 和 gaas 等半导体材料，利用金刚石制造的新一代电力电子器件具有更小、更快、更可靠和更高效的优势，在高温、高频、高功率及耐压领域具有极大的应用潜力，在电力电子设备、新能源汽车、5g 基站等系统中具有广泛的应用前景。目前，行业内已可以研制出3英寸以上的高质量金刚石单晶晶圆。金刚石体系和硅的半导体工业体系相兼容，若金刚石制备工艺与技术能够发展成熟，可以充分利用成熟的硅技术体系来实现大的产量。
宽禁带半导体材料发展面临的挑战
（一）宽禁带半导体材料应用成本较高。区别于硅基半导体材料产业链成熟、技术完备、成本较低，以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料主要应用于大功率和高频器件中，需要具备高电子迁移率和低介电常数，面临材料和封装成本高、制造工艺复杂、研发投入大等因素，整体制备技术难度和应用成本较高，特别是衬底成本是硅的多倍。这在一定程度上限制了其在市场的广泛应用。
（二）高品质、大尺寸单晶衬底和外延材料的生长、掺杂等技术有待进一步突破。宽禁带半导体材料的高质量、大尺寸衬底材料的制备是一个关键问题。金刚石的高质量单晶衬底难以获得，能够量产的金刚石晶圆尺寸仅为2英寸或更小。采用异质外延衬底或衬底拼接技术制备的金刚石晶圆因内部缺陷过多，器件的工作效率和使用寿命大受影响，限制了其在半导体器件制造中的应用。目前，我国金刚石半导体器件研究处于起步阶段，需要从理论、材料、工艺等方面研究突破。
（三）产业生态有待进一步完善。宽禁带功率半导体需要产业链、创新链的协同发展。宽禁带功率半导体涉及多学科、跨领域的技术和应用，需要联合多个领域优势资源，开展多学科、跨领域的集成创新，但研发和产业化需要昂贵的生长和工艺设备、高等级的洁净环境和先进的测试分析平台。目前国内从事宽禁带半导体研发的研究机构、企业单体规模小，资金投入有限，研发创新速度慢，成果转化困难。
宽禁带半导体材料的创新发展路径
（一）政产学研协同推进产业发展。加强产业的顶层设计，发挥行业协会和产业联盟的桥梁和纽带作用，对衬底材料、外延材料、器件设计和制造工艺等产业链各环节进行整体支撑，引导各环节间实现资源共享、强强联合，上下游互相拉动和促进，形成一个布局合理、结构完整的产业链，实现宽禁带半导体材料产业的创新发展。
（二）开展产业关键核心技术攻关。一是重点突破大尺寸单晶衬底制备技术。优化碳化硅单晶及外延制备工艺，提升碳化硅功率器件容量；攻关英寸级金刚石拼接与离子注入分离、单晶金刚石大面积均匀沉积、低微观结构缺陷密度单晶金刚石材料制备等关键技术；开展偏压辅助形核、低缺陷单晶外延生长及应力调控、低损耗切割及高精度抛光、可控掺杂及界面态优化等方面研发，攻关金刚石掺杂等技术瓶颈。二是探索功能器件研发，探索高性能金刚石功率场效应晶体管、含色心金刚石室温量子技术、金刚石非pn结器件技术、核素电池用金刚石材料研发等。
（三）鼓励企业创新发展模式，加大应用研究，引导企业从提供产品向产品和系统ag凯发k8国际的解决方案并行转变。创新发展是培育行业增长新动力的基础，以科技自立自强作为行业发展的战略支撑，加强高校与企业间人才队伍联合培养，提出前瞻性的发展思路和目标，整合优势资源，聚焦行业基础、共性、关键技术研发，夯实行业发展基础，增强行业可持续发展后劲。
