前瞻科技
| 综述与述评 2025, 4(1): 28-35
超宽禁带半导体材料发展现状与展望
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作者信息
- 第三代半导体产业技术创新战略联盟，北京 100083
赵璐冰，副研究员。第三代半导体产业技术创新战略联盟副秘书长。主要从事第三代半导体产业技术、国家科技规划编制、新型研发机构组建、产学研协同创新、科技成果孵化转化等。电子信箱：zhaolb@china-led.net。
Development Status and Prospects of Ultra-wide Bandgap Semiconductor Materials
Affiliations
- China Advanced Semiconductor Industry Innovation Alliance, Beijing 100083, China
出版时间: 2025-03-20
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.003
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摘要
收起
文章分析了以金刚石、氧化镓、氮化铝等为代表的超宽禁带半导体材料的主要特点及战略需求，系统梳理了国内外超宽禁带半导体材料的主要技术和产业进展，提出了当前待突破的关键技术问题和发展建议，以期为后续中国超宽禁带半导体材料的发展提供参考。
金刚石
/
氧化镓
/
氮化铝
/
超宽禁带半导体
This paper analyzed the main characteristics and strategic requirements of ultra-wide bandgap semiconductor materials represented by diamond, gallium oxide, aluminum nitride, etc. and systematically reviewed the main technologies and industrial developments of ultra-wide bandgap semiconductor materials in China and abroad. It proposed key technical issues that need to be overcome and development suggestions and provided references for the future development of ultra-wide bandgap semiconductor materials in China.
diamond
/
gallium oxide
/
aluminum nitride
/
ultra-wide bandgap semiconductor
赵璐冰, 吴玲.
超宽禁带半导体材料发展现状与展望.
前瞻科技,
2025
, 4
(1)
: 28
-35
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.003
Lubing ZHAO, Ling WU.
Development Status and Prospects of Ultra-wide Bandgap Semiconductor Materials[J].
Science and Technology Foresight,
2025
, 4
(1)
: 28
-35
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.003
正文
收起
超宽禁带半导体材料凭借大禁带宽度、高击穿电场、低能耗等优势，在超高压电力电子器件、射频电子发射器、辐射探测器、量子通信和极端环境应用等高精尖领域有巨大的应用前景，能够弥补现有半导体材料的不足。在军用领域可望适用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统，以及抗辐照、耐高温宇航用电源等，可大幅降低武器装备的系统损耗，减小热冷系统体积和重量，满足军事装备对小型化、轻量化、快速化与抗辐照、耐高温的要求。在民用领域，可望用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、医疗设备和消费类电子等领域，实现更大的节能减排效果，被认为是未来支撑信息、能源、交通、制造、国防等多领域快速发展的重要基础。2022年8月，美国商务部工业和安全局宣布对氧化镓（Ga2O3）和金刚石（Diamond）这两类超宽禁带半导体材料实施出口管制，因为“利用这些材料的设备显著增强了军事潜力”，认为Ga2O3和金刚石“能够在更快、更高效、更长时间和更恶劣条件下工作，可能会改变商业和军事领域的游戏规则”。
1 超宽禁带半导体材料发展现状
收起
1.1 金刚石半导体材料
金刚石宽带隙、极高硬度、超高导热率、低热膨胀、强抗辐射及耐酸碱能力，且在宽光谱范围内透光率高，使其成为极具潜力的半导体材料，在紫外/高能粒子探测、同位素电池、激光器、高频高功率器件、太空领域用半导体器件等方面不断取得技术突破并展示出了巨大的应用潜力。金刚石的常见晶面取向有(100)、(110)和(111)，其中(100)面金刚石因生长速率快、晶体缺陷低而被广泛研究。此外，(111)面的金刚石掺杂效率更高、表面悬挂键密度更大，也展示出了氢终端金刚石电子器件的巨大潜力。同时，由于金刚石具有超高的热导率（22 W/cm·K），可作为高质量GaN材料外延衬底，有效地改善基于GaN基高功率电子器件性能，解决高电子迁移率的自热效应，从而增强器件的输出功率、可靠性并延长其寿命。
日本、美国、欧盟等国家和地区在20世纪中叶开始对金刚石合成设备、材料及器件研究给予大力支持。20世纪80年代后，单晶金刚石的质量显著提升，随后金刚石p型和n型掺杂技术也逐渐取得进展，促进了金刚石半导体材料和器件及其相关机理的广泛深入研究。经过几十年的不懈技术攻关，国外已在金刚石外延设备、金刚石材料及核心元器件的性能指标上取得了技术领先优势。美国的密歇根州立大学、德国奥格斯堡大学和日本佐贺大学等，通过改进生长工艺，不断推动金刚石单晶性能的提升和尺寸的扩大。国际上的许多知名企业，如Element Six、Sumitomo Electric、Diamond Foundry等，也在金刚石单晶领域投入了大量研发资源，推动了技术的快速进步和产业的蓬勃发展。
金刚石单晶材料主要通过高温高压（High Temperature High Pressure, HTHP）和化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）方法制备。HTHP方法设备和维护成本高昂，且金属催化剂的使用会不可避免地引入金属颗粒残留杂质。此外，有限的单晶颗粒尺寸和高缺陷密度严重影响了晶体的光学和电学性能，极大地限制了HTHP合成金刚石的应用范围。CVD技术包括微波等离子体CVD（Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MPCVD）、热丝CVD（Hot Filament Chemical Vapor Deposition, HFCVD）、直流电弧等离子体喷射CVD等。其中MPCVD由于其精确的生长过程控制、清洁的沉积环境（污染风险小）、大沉积面积能力及可控的掺杂能力，已成为制备高质量金刚石薄膜的首选方法。
拼接生长及异质外延两种方案在近几年均实现了2英寸（1英寸=2.54 cm）及以上晶圆的突破，成为CVD法制备大尺寸金刚石单晶的主流方法。拼接生长通常将多个较小的金刚石单晶籽晶进行规则排列形成一个拼接的大尺寸单晶片，CVD生长获得的外延层将籽晶逐渐连接为大尺寸金刚石单晶。2014年，日本产业技术综合研究所采用马赛克拼接技术，将24个10 mm×10 mm单晶片拼接成一个直径5 cm左右的马赛克金刚石晶圆，实现了英寸级单晶金刚石[1]。异质外延是采用非金刚石单晶材料作为衬底生长金刚石单晶的技术，理论上可以实现与衬底相同尺寸的金刚石。在研究初期，研究人员验证了多种材料如Si、氮化硼（c-BN）、铂（Pt）、镍（Ni）、SiC、氧化镁（MgO）、石英、氧化钇稳定氧化锆（Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ）等作为异质外延生长衬底的可行性，实验结果表明铱（Ir）是目前为止最适合的异质外延衬底材料或过渡层材料。2017年德国奥格斯堡大学在Ir/YSZ/Si(001)复合衬底上获得了直径约90 mm的单晶，厚度为1.6 mm、摇摆曲线(004)半高宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）达到0.064°[2]。
2023年，Diamond Foundry报道了世界上首个4英寸异质外延的单晶金刚石晶圆。日本佐贺大学于2023年成功开发了世界上第一个由金刚石半导体制成的功率器件，并与日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）合作开发了用于太空通信的高频金刚石半导体元件。总部位于东京的精密零件制造商Orbray成功开发了2英寸金刚石晶圆的量产技术。该公司预计将很快完成4英寸基板的研发。此外，由丰田自动车株式会社和株式会社电装共同出资的Mirise Technologies与奥比睿有限公司（Orbray）合作开发车载金刚石功率器件，目标是在2030年实现商业化。Orbray还与英美资源集团（Anglo American plc）合作，推进其人造金刚石基板业务，重点开发用于功率半导体和通信的大直径金刚石基板。该公司计划扩大其在日本秋田县的生产设施，预计将于2029年首次公开募股。
中国虽然人造金刚石总产量达全球95%以上，但主要为HPHT合成金刚石，相关产业中国已占据绝对优势，而各企业也在积极寻求产业转型。MPCVD方法由于其工艺可控，制备金刚石品质高、杂质少的优点引起了广泛的重视及研究。MPCVD金刚石逐步走出实验室开始产业化进程。在国家科技计划支持下，国内金刚石材料及器件研究取得了一系列重要进展，已开展相关研究的团队包括西安电子科技大学，西安交通大学，中国科学院半导体研究所，郑州大学，北京科技大学，中国电子科技集团有限公司（简称中国电科）第十三、五十五、四十六研究所，哈尔滨工业大学，山东大学，南京大学，大连理工大学，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，吉林大学等。通过不断优化MPCVD生长技术，在高质量、大尺寸单晶金刚石的制备上取得了显著进展。一些国内公司，如中兵红箭股份有限公司、河南黄河旋风股份有限公司、河南省力量钻石股份有限公司、河南四方达超硬材料股份有限公司等也在探索MPCVD法生产大尺寸金刚石单晶。但与国际先进水平相比，在大尺寸衬底、高质量材料、高效掺杂、高性能器件、高精度加工方面仍存在差距。
2024年，西安交通大学研究团队采用微波等离子体化学气相沉积技术，成功实现了2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的国产化。他们通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控，提高了异质外延单晶金刚石成品率。衬底表面具有台阶流生长模式，可降低衬底的缺陷密度，提高晶体质量。X射线衍射（X-Ray Diffraction, XRD）(004)、(311)摇摆曲线半峰宽分别小于91″和111″，为金刚石的半导体应用奠定了基础。另外，采用MPCVD技术，首次在Ir(111)/蓝宝石表面实现单晶金刚石(111)面的外延生长，并成功实现20 mm×20 mm(111)取向的异质外延单晶金刚石自支撑衬底[3]。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）、XRD及电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）表征，XRD(111)摇摆曲线半峰宽小于0.6°，证明金刚石(111)具有良好的单晶特征。
2024年，中国科学院半导体研究所团队在国际上首次采用激光切割图案化工艺缓解金刚石层异质外延生长过程中的巨大应力，实现了2英寸异质外延自支撑金刚石单晶的制备，位错密度为2.2×107 cm-2[4]。
2024年，南方科技大学、北京大学东莞光电研究院、香港大学联合研究团队，在金刚石薄膜材料制备和应用方面取得重要进展，成功研发出能够批量生产大尺寸、超光滑且具备超柔性金刚石薄膜的制备方法，这一成果在材料科学领域具有里程碑意义，并为金刚石薄膜的商业化应用奠定了基础[5]。
随着5G、6G通信技术的迅猛发展和国防对电子信息技术的迫切需求，金刚石材料在半导体和高频功率器件中的重要性日益凸显，在实现超精密加工、智能电网、智能制造、下一代通信技术、雷达、星地互联等国家重大战略中发挥着关键作用。6英寸及以上金刚石单晶衬底材料技术的工业化突破对于确保中国发展新质生产力、科技独立自主、国防安全等方面至关重要。
1.2 氧化镓材料
氧化镓功率器件可满足未来电力系统对电力电子器件高耐压与低功耗的需求，成为下一代电力电子器件的最有力竞争者。为了全面推进Ga2O3材料与器件的研究，日本、德国、美国等国家均通过了一系列Ga2O3材料和器件的研究计划。2014年，日本国立产业技术综合开发机构在其战略节能技术创新计划中启动了“β-Ga2O3肖特基势垒二极管商业化开发”项目，旨在推动氧化镓功率器件的研究和商业化。美国空军研究实验室为了进一步提升军用雷达、电子战及通信系统中射频器件及功率开关器件的性能，通过了一项历时27个月的Ga2O3单晶材料制备研究的计划。2016年1月，美国国防部高级研究计划局启动了与氧化镓材料外延生长技术相关的研究计划，该计划的提出，基于未来海军战舰上配备的电磁轨道炮、防空雷达系统及DDG-51驱逐舰推进系统，均需要高压、高效功率转换器实现所需功率密度。据统计，全世界其他国家从2016年到现在每年均有超过1 000万美元投入氧化镓材料和器件的研发。2023年9月美国防部宣布实施微电子共享计划，将“高压氧化镓功率开关”列入重点关注关键技术。日本也正加快氧化镓产业化速度，布局多家日本行业领军企业进入氧化镓领域。
氧化镓单晶能够采用液相的熔体法生长，并且硬度较低，材料生长和加工的成本均有优势。Ga2O3单晶可以通过多种熔体法制备，包括浮区法、提拉法、导模法、垂直布里奇曼法、铸造法、冷坩埚法等。导模法生产的4英寸Ga2O3单晶衬底已经实现了商用，导模法、垂直布里奇曼法和铸造法实现了6英寸Ga2O3单晶衬底技术突破，提拉法、冷坩埚法也成功制备出2英寸Ga2O3单晶。导模法、铸造法、提拉法需要用到昂贵的铱坩埚，Ga2O3未来大规模商用化发展可能会受到成本的限制。而垂直布里奇曼法、冷坩埚法、浮区法不需要用到昂贵的铱坩埚，单晶生长成本预计会大幅下降[6]。
日本和德国对氧化镓单晶生长的研究起步较早。2000—2006年，日本及德国学者利用提拉法、导模法率先成功制备出β-Ga2O3单晶。日本NCT股份有限公司作为β-Ga2O3衬底生产的引领者，在大尺寸、高质量Ga2O3晶圆供应市场上占据了统治地位，当前占有全球90%以上的衬底市场份额。NCT股份有限公司2012年第1次实现2英寸晶圆衬底技术突破，2018年通过导模法量产4英寸β-Ga2O3晶圆，2022年突破6英寸β-Ga2O3晶圆制备技术，并于2024年宣布能够采用更低成本的垂直布里奇曼法制备出6英寸β-Ga2O3单晶衬底。德国莱布尼茨晶体生长研究所采用提拉法实现2英寸氧化镓晶圆制备。
相比美国、日本和德国等国家，中国在氧化镓衬底、材料和器件方面的研究起步较晚，整体处于跟跑阶段。近年来在相关部委的支持下，部分器件指标达到国际领先，但在氧化镓材料方面仍有差距。虽然目前中国氧化镓领域飞速发展，涌现了多家企业，但整体产业链还不够齐全，“单晶-外延-器件-装备”工程化和产业化成熟度还不够高。除了国家的持续支持引导外，也需要学术界、投资界及产业界各领域精诚合作，面向氧化镓产业化目标，协同攻关，迭代优化。
国内多家科研机构在氧化镓材料和器件方面开展了系列研究，包括山东大学，同济大学，中国科学院上海光学精密机械研究所，中国电科第四十六、十三研究所，北京大学，吉林大学，西安电子科技大学，南京大学，北京邮电大学，中山大学，复旦大学等。中国电科第四十六研究所2016年制备出2英寸β-Ga2O3晶圆，2018年研制出4英寸β-Ga2O3晶圆，2023年成功实现6英寸β-Ga2O3晶圆制备。山东大学采用导模法成功制备6英寸氧化镓衬底。浙江大学2022年采用铸造法成功生长2英寸β-Ga2O3单晶；2023年制备出4英寸β-Ga2O3单晶；2024年突破6英寸β-Ga2O3单晶生长。2024年7月，浙江大学孵化企业杭州镓仁半导体有限公司在氧化镓晶体生长与衬底加工技术上取得突破性进展，成功制备出3英寸晶圆级(010)Ga2O3单晶衬底，为目前国际上报道的最大尺寸[7]。2024年10月，杭州镓仁半导体有限公司基于自主研发的氧化镓专用晶体生长设备，并采用垂直布里奇曼法，成功生长出2英寸的氧化镓单晶，这是国内首次实现此项技术突破[8]。杭州富加镓业科技有限公司及北京铭镓半导体有限公司具备4英寸单晶生长技术，并实现2英寸单晶衬底商业化。中国科学技术大学团队针对氧化镓缺乏有效p型掺杂导致难以实现增强型垂直结构晶体管的难题，通过优化后退火工艺实现氮替位激活和晶格损伤修复，研制出kV级氧化镓垂直槽栅晶体管。这一成果发表于第36届国际功率半导体器件和集成电路会议，为实现面向应用的高性能氧化镓晶体管提供了新思路。
当前，6英寸及以上无铱法氧化镓单晶衬底材料制备产业化技术的突破，需要设备和工艺相互配合，根据工艺优化设备（包括热场流场），再根据设备优化工艺，多次迭代才能将材料的技术成熟度等级提升到更高阶段。另外，包括氧化镓、金刚石等超宽禁带半导体面临着双极型掺杂难这一问题，难以制造同质双极型器件以同时满足大电流和高电压承载的要求。采取异质结策略，构建具有良好界面和能带匹配的p-Diamond/n-Ga2O3二极管，是实现高性能超宽禁带双极型二极管的理想组合，有利于充分发挥超宽禁带半导体在先进电力电子器件的应用优势。中国科学院宁波材料技术与工程研究所、郑州大学、南京大学及哈尔滨工业大学研究团队紧密合作，通过异质外延界面调控和器件结构优化设计，成功制备击穿电压超3 000 V的p-Diamond/n-Ga2O3异质pn结二极管[9]。该工作提供了一种兼具高耐压特性、低导通电阻和高效热管理策略的超宽禁带半导体异质pn结二极管的制造方案，将进一步推动超宽禁带半导体在功率器件领域的发展。
1.3 氮化铝材料
氮化铝（AlN）晶体，以其超宽禁带、深紫外透明、高热导率、高声速及高温稳定性等卓越特性，成为当前半导体领域的关键前沿材料之一。作为直接间隙半导体，其最大禁带宽度高达6.2 eV，使AlN成为AlxGa1-xN基紫外发光器件和探测器的首选衬底。基于AlN衬底的AlxGa1-xN紫外光电器件，覆盖了200~365 nm紫外光谱的带隙范围，为紫外杀菌、生物医学、紫外固化、紫外激光、紫外探测等领域开辟了广阔应用空间。另外，AlN凭借优异热导率、高表面声波速度、高击穿场强及稳定的物理化学属性，成为高频、高温、大功率电子器件的理想材料之一。这些独特优势让AlN在功率器件、射频器件、压电器件等领域，展现出了重要价值与应用潜力。
目前，主要有两种方法用于生长氮化铝（AlN）单晶：物理气相传输法（Physical Vapor Transportation, PVT）和氢化物气相外延（Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE）。PVT法具有显著的优势，其特征是生长速度快，能够有效获得低位错密度的AlN单晶。一些研究机构和公司已成功利用这种方法制备了2~4英寸的AlN单晶衬底。然而，PVT法也面临一些技术挑战。首先，AlN晶体在生长过程中往往表现出多晶成分，这不仅降低了AlN衬底的有效可用面积，而且增加了晶体的脆性，使加工更加困难。其次，高杂质浓度会降低AlN晶体在深紫外范围内的透射率，显著限制了其在紫外发光和紫外光电器件中的应用。最后，PVT法需要较高的生长温度，导致高功耗和对坩埚材料的特殊要求，这些因素阻碍了生产成本的降低。虽然自成功制备第1个2英寸的AlN单晶衬底以来已有近20年，但尚未实现大规模量产。
HVPE技术是一种利用气相外延制备AlN的重要方法，具有在低杂质浓度下生长AlN单晶的显著优势，并能够生产均匀的大尺寸单晶厚膜。通常，该技术在1 300~1 600 °C的温度范围内进行AlN生长，生长速度从几µm/h到100多µm/h不等，使其特别适合制造高质量的AlN单晶厚膜。近年来，一些世界领先的研究机构和企业积极从事AlN的HVPE生长研究，不仅在异质外延和同质外延方面取得了重大进展，而且在自支撑单晶衬底的制备方面也取得了重大进展。目前，HVPE技术通常采用异质外延制备AlN，但这种方法不可避免地导致位错密度较高，这严重影响了器件的性能。尽管研究人员为降低位错密度做出了重大努力，但迄今为止取得的进展远未达到令人满意的水平。虽然目前的技术手段还不足以满足这些要求，但通过异质外延HVPE技术直接生产大尺寸的AlN单晶仍是一条值得尝试的技术路线。
国际上，美国Hexa Tech公司实现了高质量2英寸AlN单晶衬底的小规模量产能力。日本旭化成株式会社旗下的美国Crystal IS公司在2023年宣布成功实现了直径为100 mm的AlN单晶衬底的批量生产[10]，这些衬底的可用面积达到99%；2024年发布实现4英寸单晶AlN衬底。由于AlN单晶材料的敏感用途（用于高性能紫外探测器），美国的AlN单晶晶片对中国实行禁运。
北京大学、山东大学、中国科学院半导体研究所、深圳大学、哈尔滨工业大学、上海大学、中国电科第四十六研究所及奥趋光电技术（杭州）有限公司等机构，均积极投入PVT法生长AlN晶体的研究。基于大尺寸籽晶技术，实施同质PVT的等径生长，实现了直径达102 mm的AlN单晶，并得到了面内尺寸超过82 mm的AlN晶片，(002)XRD摇摆曲线半宽小于300 (″)/s；实现了高紫外透过率的AlN单晶衬底，直径为43 mm、厚度为150 μm的AlN衬底265 nm吸收系数小于10 cm-1，达到国际先进水平。
2 发展方向及挑战
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超宽禁带半导体材料目前正处于前沿研究阶段，高品质、大尺寸衬底材料的制备是近期技术突破的重点，基于高品质衬底生长的外延材料将成为器件制备的基础，攻克器件制备工艺技术难点将为超宽禁带半导体广泛应用提供可能。作为最具有发展潜力和应用前景的新型半导体材料，超宽禁带半导体的发展面临着重大的挑战与机遇。
当前，金刚石半导体正在从研发阶段推向实用化，在导热衬底、辐照探测器方面有一定应用，但由于高质量半导体金刚石材料制备、掺杂、加工、器件工艺等相关的科学和技术问题还没有解决，金刚石的导电差且难以调控、晶片尺寸小仍是阻碍其半导体技术发展的瓶颈问题，金刚石半导体电子器件关键技术还没有突破，应用市场还远远没有打开。电子级金刚石产业化面临的主要问题：一是金刚石的半导体级材料生长设备需要构建新型多目标微波谐振腔优化方法，针对大尺寸、高均匀及高等离子体密度进行设备优化，保证大尺寸下的高速高品质生长；二是金刚石的高效体掺杂激活和室温高性能pn结的实现仍然是世界级难题；三是金刚石是超硬材料，要实现硅或碳化硅抛光片的面型和粗糙度，达到“衬底级”标准，金刚石的磨削加工技术也需要大力攻关。
氧化镓材料具有超宽的禁带宽度、超高临界击穿场强和抗辐照的优异特性，成为推动功率器件微型化、轻量化的关键半导体，将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电及工业电源等领域。尽管氧化镓单晶材料相对制备和加工难度低，但在电子器件方面还处于初始研究阶段，仍有很多关键技术和科学问题亟待解决，如大尺寸单晶易开裂、材料低热导率导致的强自热效应、p型掺杂难、载流子迁移率低及异质界面缺陷多等系列问题，器件性能距离理论值还有很大差距。
氮化铝具有极高的临界电场、高关态阻断电压、超低导通电阻、超快开关速度，以及耐恶劣环境等优势，成为制备耐高压、高温电力电子器件的理想选择，在汽车电子、电动机车、高压输电及高效功率转换等方面具有较大潜力。尽管AlN单晶在光电及高频高功率电子器件领域展现出巨大潜力，但其商业化生产仍面临尺寸局限，目前主要停留在2英寸水平。同时，将自支撑AlN单晶从大型异质衬底中精确分离出来，带来了许多技术挑战，需要在分离过程中精确控制各种条件，以确保单晶的完整性和优异性能。
当前，超宽禁带半导体的材料生长和器件研制还处于初始阶段，发达国家均瞄准这一半导体领域的发展新方向积极投入力量，中国与国际水平总体相当，差距不大。超宽禁带半导体在单晶衬底制备、外延生长和异质结构构筑、高效掺杂与导电调控、器件结构和关键工艺开发等方面还存在一系列关键科学技术问题。未来重点发展的研究方向主要包括：大尺寸、高质量氧化镓和金刚石单晶衬底材料生长，氧化镓、金刚石等半导体薄膜的外延生长与性能调控，超宽禁带半导体的n型和p型掺杂和高效激活，载流子迁移率提升机制和方法，高性能超宽禁带半导体器件制备与异质集成等。
3 政策建议
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1）统筹发展与安全，启动专项支持，加大投入强度，推进国家战略导向的体系化基础研究，全面系统布局超宽禁带半导体
在当前美国对中国金刚石等超宽禁带半导体实施精准打击、出台新的出口管制办法的国际背景下，应尽快启动国家层面科技专项重点支持，通过目标导向的有组织研究，聚焦核心材料与器件“短板”，系统解决超宽禁带半导体大尺寸单晶衬底和外延材料生长、器件设计和制备工艺、全套装备和高精度加工等全链条的关键科学技术问题，以保障中国在2025年进入国际先进水平行列并实现自主可控，2035年中国在该研究方向上对美国技术封锁形成战略优势，适应当前半导体材料和芯片国际竞争形势的迫切需要。通过重大项目的部署，以打造具有自主知识产权的工业体系和产业集群为目标，层层分解研究任务，发挥政府在基础和应用基础研究领域的主体责任，同时激发企业在工程化和产业化研究领域的投入。
2）探索以有公信力的第三方机构牵引、衔接、组织各方创新力量，采用能够根据形势和任务不断调整组织形式的柔性机制
聚焦国家战略，从产业需求及问题出发，以重大项目牵引，由龙头企业牵头、政产学研融合，以创新联合体的形式组织联合创新工程。依靠新型举国体制，集中优势力量，系统思考和布局，促进资金、人才、项目、基地等各类优势资源解决“卡脖子”问题，构筑未来领先领域。在组织决策层面，统筹规划，全国一盘棋，按照“职责与能力优先”原则，分别确定细分重点领域的牵头企业或牵头研发机构，集中力量联合攻坚。运作执行层面，重点支持供给侧平台（产业基础共性技术及生态培育类平台）建设，扶持关键战略方向共性技术研究及科技生态建设；同时加强基础研究及中长期科学研究，开展关键理论与核心技术攻关。
3）通过创新政策、科技金融牵引，形成系统创新能力，实现国家信用对研发链、产业链和资本链的拉动，引导和整合社会资源投入应用基础研究
坚持“源头创新-技术创新-成果转化-企业培育”创新全链条。加强顶层设计，围绕创新链完善资金链，构建科技资本链网。对产业链优质企业和研发平台进行筛选，通过承接重大项目、基金投资等注入国家信用，在财政、税收、金融、人才、法律、知识产权各方面得到政策支持。鼓励企业与高等院校、科研院所建立前沿基础研究创新中心，形成以企业为主体、高等院校科研院所等多方力量协同创新，培育新技术、新产品、新业态、新模式。对企业开展相关基础研究的经费投入给予更大力度的税收减免激励。鼓励产业链上下游机构、产业联盟和技术联盟等通过成立基础研究基金、接受社会捐赠、设立专项基础研究项目、产业共性基础研究专项等方式，围绕产业发展和产业链等开展应用基础研究，推动产业提升应用基础研究能力。
4 结束语
收起
当前，全球正在经历新一轮电气化进程。交通运输、大算力设施等新兴应用的快速布局，对更加高效、更加强劲的电能处理能力提出了迫切需求，这成为下一代电力电子系统研发的新动力。因此，需要及时布局以超宽禁带半导体材料为代表的下一代战略性电子材料及其器件、电路、系统的具有前瞻性、系统性、应用导向性的研究。超宽禁带半导体的材料生长和器件研制仍处于初始阶段，发达国家均瞄准这一半导体领域的发展新方向积极投入力量。中国与国际水平总体相当，差距不大。超宽禁带半导体在单晶衬底制备、外延生长和异质结构构筑、高效掺杂与导电调控、器件结构和关键工艺开发等方面还存在一系列关键科学技术问题。中国经过数十家高校及研究院所的努力，前期积累了大量的科研成果及工程化经验，亟需针对该领域的未来发展趋势和可持续发展能力，提前布局前沿方向，铸造“长板”优势，抢占发展先机，对提升核心科技自主可控、掌握国际竞争主导权、维护国家安全等方面具有重要意义。
文献
收起
参考文献
引证文献
排序方式：
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西安交通大学科研团队成功实现(111)面异质外延单晶金刚石衬底的制备[EB/OL]. (2024-11-20). https://news.xjtu.edu.cn/info/1004/216193.htm.
A research team from Xi’an Jiaotong University has successfully prepared a (111) surface heteroepitaxial single crystal diamond substrate[EB/OL]. (2024-11-20). https://news.xjtu.edu.cn/info/1004/216193.htm. (in Chinese)
[4]
[5]
[6]
[7]
镓仁半导体晶圆级(010)氧化镓单晶衬底直径突破3英寸[EB/OL]. (2024-07-16). http://silab.zju.edu.cn/2024/0716/c15276a2946325/page.htm.
(010) gallium oxide single crystal substrate diameter exceeds 3 inches[EB/OL]. (2024-07-16). http://silab.zju.edu.cn/2024/0716/c15276a2946325/page.htm. (in Chinese)
[8]
实验室孵化企业实现氧化镓晶体生长技术重大突破[EB/OL]. (2024-11-11). http://silab.zju.edu.cn/2024/1111/c15276a2986500/page.htm.
Laboratory incubated enterprises achieve significant breakthroughs in gallium oxide crystal growth technology[EB/OL]. (2024-11-11). http://silab.zju.edu.cn/2024/1111/c15276a2986500/page.htm. (in Chinese)
[9]
[10]
Crystal IS and Asahi Kasei have achieved 99% usable area on 100 mm bulk aluminum nitride substrate[EB/OL]. (2024-06-12). https://www.cisuvc.com/crystal-is-improves-100mm-substrate/.
2025年第4卷第1期
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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.003
- 接收时间：2024-12-23
- 出版时间：2025-03-20
- 发布时间：2025-03-27
补充材料
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表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
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