“十二五”国家重点出版物出版规划项目：中国战略性新兴产业：新材料（第三代半导体材料）

    该丛书为国内一部系统论述我国新材料发展战略的系统性科技系列著作；中国材料研究学会组织编写，各分册作者均为国内*专家；内容突出“新”字，即：当代新材料的新概念、新技术、新工艺、新成果、新应用、新趋势等，代表了全球新材料发展的主流。入选“‘十二五’国家重点出版物出版规划项目”，获2016年度国家出版基金资助。 

       “中国战略性新兴产业——新材料”丛书是中国材料研究学会组织编写的，被新闻出版广电总局批准为“十二五”国家重点出版物出版规划项目，并获2016年度国家出版基金资助。丛书共16分册，涵盖了新型功能材料、高性能结构材料、高性能纤维复合材料等16种重点发展材料。本分册为《第三代半导体材料》。本书主要论述了Ⅲ族氮化物半导体材料、SiC半导体材料、宽禁带氧化物半导体材料、金刚石材料的基本理论、制备技术、相关电子器件及其发展现状和趋势，半导体照明的现状、发展趋势、竞争格局，并论述了我国第三代半导体材料产业的战略意义及发展战略。本书可供新材料科研院所、高等院校、新材料产业界、政府相关部门、新材料中介咨询机构等领域的人员参考，也可作为高等院校相关专业的大学生、研究生的教材或参考书。

       郑有炓，半导体材料与器件物理专家，南京大学物理系教授。 从事新型半导体异质结构材料与器件研究。2003年当选为中国科学院院士。吴玲，女，国家新材料行业生产力中心主任。科技部半导体照明工程重大项目管理办公室主任、国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长。沈波，北京大学物理学院长江学者特聘教授，博士生导师。研究方向：宽禁带半导体电子材料、物理与器件，半导体低维物理。

第1章概论1

1.1第三代半导体材料的概念和发展历程1

1.1.1第三代半导体材料的概念1

1.1.2第三代半导体材料的发展历程2

1.2第三代半导体材料的结构性质及应用5

1.2.1Ⅲ族氮化物半导体材料的结构性质及应用5

1.2.2SiC半导体材料的结构性质及应用6

1.2.3宽禁带氧化物半导体材料的结构性质及应用6

1.2.4半导体金刚石材料的结构性质及应用7

1.3第三代半导体材料的应用前景展望8

1.3.1Ⅲ族氮化物半导体材料的应用前景8

1.3.2SiC半导体材料的应用前景9

1.3.3宽禁带氧化物半导体材料的应用前景9

1.3.4半导体金刚石材料的应用前景10

参考文献11

第2章Ⅲ族氮化物半导体材料12

2.1Ⅲ族氮化物半导体材料的基本性质13

2.1.1Ⅲ族氮化物半导体材料的晶体结构13

2.1.2Ⅲ族氮化物半导体材料的能带结构14

2.1.3Ⅲ族氮化物半导体材料的基本物理性质14

2.1.4Ⅲ族氮化物半导体材料的极化特性16

2.2Ⅲ族氮化物半导体材料的制备技术18

2.2.1蓝宝石异质衬底技术18

2.2.2Ⅲ族氮化物同质衬底制备技术21

2.2.3氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）衬底材料32

2.2.4金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长方法46

2.2.5分子束外延（MBE）生长方法51

2.2.6氮化铟（InN）和铟镓氮（InGaN）外延生长54

2.2.7氮化铝(AlN)和铝镓氮（AlGaN）外延生长62

2.2.8硅（Si）衬底上GaN的外延生长65

2.3Ⅲ族氮化物光电子器件及应用70

2.3.1蓝光、白光发光二极管（LED）及其半导体照明应用70

2.3.2蓝绿光激光器（LD）及其应用76

2.3.3紫外光LED及其应用83

2.3.4紫外光激光器及其应用87

2.3.5紫外光电探测器及其应用92

2.4Ⅲ族氮化物电子器件及应用96

2.4.1GaN基异质结构中二维电子气的电学性质96

2.4.2微波功率电子器件及其应用98

2.4.3电力电子器件及其应用101

2.5国内外Ⅲ族氮化物材料产业发展现状及趋势104

2.5.1GaN基LED照明材料产业104

2.5.2GaN基微波半导体材料与器件产业107

2.5.3GaN基电力电子器件及材料产业109

参考文献111

第3章SiC半导体材料118

3.1SiC半导体材料的基本性质118

3.1.1SiC的晶体结构118

3.1.2SiC半导体材料的基本性质120

3.1.3SiC单晶材料的研究进展121

3.2SiC半导体材料的制备技术125

3.2.1SiC单晶生长技术125

3.2.2SiC单晶衬底加工技术137

3.2.3SiC化学气相沉积法（CVD）外延生长技术140

3.3SiC半导体器件及相关应用154

3.3.1功率半导体器件及其应用154

3.3.2SiC紫外光电探测器及其应用159

3.3.3SiC高温传感器及其应用162

3.4国内外SiC半导体材料产业发展现状及趋势165

3.4.1SiC半导体材料产业的市场165

3.4.2SiC衬底的产业现状和发展趋势167

3.4.3SiC分立器件的产业现状和发展趋势169

3.4.4SiC功率模块的产业现状和发展趋势170

参考文献171

第4章宽禁带氧化物半导体材料176

4.1引言176

4.1.1氧化物半导体材料的基本概况176

4.1.2氧化物半导体材料的基本问题176

4.1.3氧化物半导体材料的整体发展状况177

4.2氧化锌（ZnO）半导体材料及器件181

4.2.1ZnO的晶体结构与基本性质181

4.2.2ZnO材料制备194

4.2.3ZnO半导体器件应用及研究进展200

4.3铟镓锌氧(IGZO)透明氧化物材料及器件205

4.3.1IGZO薄膜材料的结构与性质205

4.3.2IGZO薄膜的制备技术206

4.3.3IGZO薄膜晶体管（TFT）器件制备及其性质208

4.3.4IGZO TFT器件的电学稳定性209

4.3.5IGZO TFT器件的显示技术应用211

4.4氧化镓（β-Ga2O3）材料及器件212

4.4.1β-Ga2O3晶体的结构和基本性质212

4.4.2β-Ga2O3晶体的主要生长方法213

4.4.3β-Ga2O3晶体在透明导电氧化物薄膜方面的应用214

4.4.4β-Ga2O3晶体在日盲紫外探测器及气体传感器方面的应用215

4.4.5β-Ga2O3晶体在功率电子器件方面的应用216

4.5钙钛矿材料及器件217

4.5.1钙钛矿材料晶体结构217

4.5.2钙钛矿材料及其发光特性219

4.5.3钙钛矿型太阳能电池及其发展动态224

4.5.4钙钛矿材料电学特性和器件应用231

4.6宽禁带氧化物半导体材料的应用展望232

4.6.1宽禁带氧化物半导体的近期应用233

4.6.2宽禁带氧化物半导体的预期应用234

4.6.3宽禁带氧化物半导体的潜在应用236

参考文献237

第5章半导体金刚石材料247

5.1半导体金刚石材料的基本性质247

5.1.1金刚石晶体概述248

5.1.2金刚石的基本性质253

5.2半导体金刚石材料的制备技术259

5.2.1高压高温法（HPHT）259

5.2.2CVD法260

5.2.3微波等离子体法261

5.2.4单晶金刚石衬底的制备264

5.2.5单晶金刚石薄膜同质外延267

5.2.6单晶金刚石薄膜异质外延267

5.2.7多晶金刚石薄膜的生长271

5.2.8金刚石的掺杂与接触273

5.3半导体金刚石器件及相关应用277

5.3.1金刚石基电子器件277

5.3.2金刚石基发光器件282

5.3.3金刚石基探测器和传感器285

5.4半导体金刚石材料的产业现状与发展趋势290

5.4.1半导体金刚石材料的产业现状290

5.4.2半导体金刚石材料的产业发展趋势290

参考文献292

第6章第三代半导体材料光电应用——半导体照明298

6.1半导体照明概述298

6.1.1产业链环节及产品299

6.1.2产业链关键技术300

6.2半导体照明产业发展现状与趋势301

6.2.1国际发展态势301

6.2.2中国发展态势305

6.2.3半导体照明未来发展趋势311

6.2.4新型行业组织发展模式探索312

6.3中国半导体照明产业竞争格局及面临形势317

6.3.1半导体照明产业发展竞争格局重塑317

6.3.2中国半导体照明产业发展面临的形势319

6.4中国半导体照明产业发展对策建议319

6.4.1围绕应用需求进行系统布局，加大对技术创新的研发投入319

6.4.2探索协同、开放的体制机制，构建以企业为主体的创新体系320

6.4.3支持发展“众创空间”，为创业创新搭建新平台320

6.4.4积极参与“一带一路”，加强国际产业合作320

6.4.5加强市场监管，优化产业生态环境320

参考文献321

第7章我国第三代半导体材料产业的战略意义及发展战略322

7.1我国第三代半导体材料产业的战略意义322

7.1.1抢占技术制高点，掌握国际竞争主导权322

7.1.2支撑节能减排，转变经济发展方式323

7.1.3引领信息器件产业变革，构建高性能信息网络325

7.1.4保卫国家信息安全，提升国防建设水平326

7.2我国第三代半导体材料产业的发展战略327

7.2.1组织关键技术的攻关327

7.2.2推动需求导向的创新应用329

7.2.3促进公共研发及服务平台建设330

7.2.4产业生态环境与可持续发展能力建设331

中国战略性新兴产业——新材料”丛书是中国材料研究学会组织编写的，被新闻出版广电总局批准为“十二五”国家重点出版物出版规划项目。

根据国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，新材料被列为我国战略性新兴产业之一。本丛书定位为：从战略性新兴产业的高度，着重论述该类新材料在国民经济和国防建设重大工程和项目中的地位和作用、技术基础、zui新研究成果、应用领域及发展前景。其特点在于体现一个“新”字，即在遵守国家有关保密规定的前提下论述当代新材料的zui先进的工艺和zui重要的性能。它代表当代全球新材料发展主流，对实现可持续发展具有重要的现实意义和深远的指导意义。丛书共16分册，涵盖了新型功能材料、高性能结构材料、高性能纤维复合材料等16种重点发展材料。本分册为《第三代半导体材料》。

本书主要论述了Ⅲ族氮化物半导体材料、SiC半导体材料、宽禁带氧化物半导体材料、半导体金刚石材料的基本理论、制备技术、相关电子器件及其发展现状和趋势，半导体照明的现状、发展趋势、竞争格局，并论述了我国第三代半导体材料产业的战略意义和发展战略。

本书由中国科学院院士、南京大学教授郑有炓，国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长、科技部“第三代半导体材料”项目管理办公室主任、研究员吴玲，国家半导体照明工程研发及产业联盟研究员沈波等人编著。

限于时间和资料收集等原因，疏漏之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

编著者

2017年10月