1.3　第三代半导体材料的应用前景展望

1.3.1　Ⅲ族氮化物半导体材料的应用前景

基于GaN材料体系的光电子器件的产业化已经在世界上取得了重大进展。GaN基LED器件具有高效节能、长使用寿命、宽光谱、智能化等特点，是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命，为解决日益严峻的能源和环境问题提供了重要途径，被各国公认为最有发展前景的战略性新兴产业之一。而氮化物半导体激光器二极管在高密度信息存储、激光显示、水下、塑料光纤通信、生物医学等民用和军用领域都有重要而广泛的应用，是光电子产业的龙头产品。

由于Ⅲ族氮化物半导体具有宽的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速率，高击穿场强等优越性能，因此该材料体系是发展高频、高温、高功率电子器件的最优选材料。GaN基微波功率器件在军事国防应用领域，可应用于有源相控雷达、电子对抗、导弹和无线电通信等方面；在民用商业应用领域，可应用于无线通信基础设施（基站）、卫星通信、有线电视和功率电子等方面。GaN基电力电子器件具备比传统器件低至近千分之一的导通电阻、高几十倍的开关速度，可以将电源的损耗降低至使用传统器件1/10，给社会节省大量的电能。因此在IT与消费类电子产品、光伏领域和电动/混合动力汽车等领域得到了广泛的应用。

1.3.2　SiC半导体材料的应用前景

以SiC为代表的宽禁带半导体大功率电力电子器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。SiC半导体材料以其优异的物理、化学特性决定了SiC基电力电子器件在高压、高温、高效率、高频率、抗辐射等应用领域具有极大的优势，极大地提高了现有能源的转换效率。不仅能够在直流、交流输电，不间断电源，开关电源，工业控制等传统工业领域广泛应用，而且在太阳能、风能等新能源领域也具有广阔的应用前景。

同时，SiC半导体材料优异的热学特性和抗辐照特性，使SiC成为制备紫外光电探测器的首选材料之一。尤其针对高温、强辐射、宇宙空间等特殊环境，常规的Si基器件显然无法适应，SiC半导体材料势在必行。SiC紫外光电探测器在长波紫外光波段主要用于环境监控、火灾防范等；在中短波紫外光波段可应用于紫外预警和紫外追踪；而在真空紫外光波段的应用主要集中在紫外光天文学等方面。

SiC半导体材料制作的高温温度传感器能够弥补目前Si基传感器的缺点，可应用于更广阔的范围和环境更加恶劣的条件下。SiC高温温度传感器有着较大的测温范围（0～500℃），而且易于集成，因此可应用于很多领域中，如加工工业及机械中的温度监测，家用电器及食品工业中的温度控制，石油化工工业中的温度监测，航空航天及汽车工业中对临界温度的监测等。SiC高温压力传感器在军用和民用两方面均有可观的应用前景：在军用方面，主要用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳等的压力测量；在民用方面，主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力，油井压力和各种发动机腔体内的压力，这些都要求SiC高温压力传感器能够工作在更高的温度下，能够经受强辐射的影响。SiC气敏传感器（特别是电容式传感器）能在1000℃的高温下工作，且响应时间在毫秒数量级。近年来，通过对SiC气敏传感器不断深入研究，各类器件均已经实现了在500℃的高温下正常工作，这已基本满足内燃机监控、汽车尾气和航天器喷气发动机排气诊断以及其他高温应用的要求。

1.3.3　宽禁带氧化物半导体材料的应用前景

ZnO及其合金材料具有宽禁带、高激子束缚能、高击穿场强、高电子漂移速率、自发极化强、环境友好等优点，兼具第三代宽带隙半导体和电子强关联体系的双重特征，是发展紫外光电子器件和功率电子器件的优选材料，在压电传感、记忆存储和柔性电子器件应用方面亦取得了重要进展。ZnO纳米线中应力调控灵活性较强，压电调制势垒的方法可应用于提高紫外探测器的响应性能和太阳能电池光电转换效率；ZnO及ZnMgO合金的带隙可覆盖“日盲”波段（220～280nm），并具有比Ⅲ族氮化物更好的抗辐射损伤能力，因此在空间和国防上具有非常重要的应用价值；在发光器件方面研究表明，低阈值紫外激光器、日盲紫外光电探测器可在无序或多晶ZnO半导体系统中实现激子型低阈值、低成本紫外光激光器，为光电子集成电路的发展提供有效途径；在电子器件方面研究表明，ZnMgO及ZnO界面可以形成高迁移率2DEG，同时ZnO多晶或非晶薄膜的制备工艺简单、衬底要求低，其非晶金属氧化物半导体系列材料（MgZnO、ZnSnO、InZnO）具有较好的均匀性、较高的透过率、低的制备温度和低成本等优点，特别适用于制作高性能的薄膜场效应晶体管（thin film transistor，TFT）；而以一维纳米线为代表的ZnO低维纳米结构由于其优异的单晶特性、界面和量子限制效应等而具有新奇的光学、电学和光电性能，使得此种构型的ZnO微纳器件在显示、光通信、光存储、生物传感和检测领域具有广阔的应用前景，目前主要包括发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、太阳能电池和紫外探测器等。

Ga2O3材料是一种深紫外光透明半导体氧化物，禁带宽度在4.9eV左右，β-Ga2O3在280～1100nm范围内是高度透明的，适用于制作透明导电氧化物薄膜，因此在透明显示技术、紫外探测器及太阳能电池等领域有着非常广泛的应用前景。Ga2O3薄膜对应的吸收波长为253nm，处在太阳光盲区波段（240～280nm）中，因此是制备太阳光盲深紫外探测器的理想材料。通过与氧化铟合金，可以对铟镓氧的禁带宽度进行调节，从而可以选择合适的吸收波长。Ga2O3基深紫外探测器具有价格便宜且制备方法简单，便于批量生产等优点。利用Ga2O3在高温下的化学稳定性，可以制成能在高温下工作的火焰探测器；Ga2O3纳米材料在制备高灵敏度的气体传感器方面有着非常大的潜力，可广泛用于探测包括O2、H2、CH4等各种气体，β-Ga2O3气体传感器的特点是可以在高温下工作。通过采用纳米颗粒、纳米薄膜、纳米管和纳米线等结构，可以大幅度提高其探测灵敏度。而在功率器件方面，β-Ga2O3-MOSFET显示了非常优异的器件特性，包括具有高的开态漏极电流（39mA）、高的关态耐压（370V以上）、非常小的漏电流（测量极限数pA/mm以下）、高的on/off电流比（10位数以上）等。这种使用新型的宽禁带半导体材料β-Ga2O3的半导体场效应晶体管的开发将为新的高性能功率器件在高压和低压的应用上铺平道路，不仅能直接对节能降耗做出贡献，而且对我国的经济特别是半导体产业也是一个新机遇。

GaTiO3材料本身的优越特性包括优良的光学参数、能带可调控、载流子的双极输运、高迁移率、长使用寿命、制备方法简单多样、低成本、低能耗等。正是这些特性使得GaTiO3太阳能电池技术成为近五年来太阳能光伏领域发展最为迅速的一种技术，也是目前GaTiO3材料光电技术应用受到高度重视的发展方向。同时各种GaTiO3结构材料在催化、传感、光电和电子器件等其他应用中也占据着重要的地位。

1.3.4　半导体金刚石材料的应用前景

由于半导体金刚石材料具有带隙宽、热导率高、击穿电场强、极高的电子迁移率等优点，使得其半导体器件能够在高频、高功率、高电压，以及强辐射等十分恶劣的环境中运行，并且，从紫外光到远红外光很宽的波长范围内具有很高的光谱透射性能，是大功率红外激光器和探测器的光学窗口材料。同时，它又具有抗酸、抗碱、抗各种腐蚀气体侵蚀的性能，是优良的耐蚀材料。它集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的第三代半导体材料之一，在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域中有极其广泛的应用前景。例如金属/p型硼掺杂金刚石二极管的一个重要应用是高压/高功率开关。研究表明，其击穿电压是Si的546倍，是其他宽禁带半导体如SiC或GaN的数十倍。另外，金刚石二极管还具有耐高温特性。而由半导体金刚石材料制作的深紫外发光二极管器件虽然还处于实验室探索阶段，但是已经在高温下表现出优于同类AlGaN材料器件在大电流下工作的性能。