材料人报告丨宽禁带半导体材料研究报告

【简介】

宽禁带半导体材料也被称为第三代半导体材料（一代和二代分别为硅、锗），其带隙大于或等于2.3 eV。宽禁带半导体材料一般具有电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好等特点，受到了研究者广泛研究。传统的宽禁带半导体有SiC、GaN、ZnO和Ga₂O₃等，以及其他II-VI组化合物材料。这类宽禁带材料具有短波吸收、高击穿电压等特点，因此在发光二极管（LEDs）与激光二极管（LDs）领域具有巨大的应用前景。此外，随着近些年太阳能电池（SCs）的迅猛发展，宽禁带半导体材料开始在太阳能电池领域发挥重要作用。比如研究者开发了许多宽禁带有机聚合物半导体材料广泛应用于聚合物太阳能电池，也有研究者将许多宽禁带材料（如ZnO、NiO和MoO₃等）薄膜应用于钙钛矿太阳能电池充当电子/空穴传输层。宽禁带材料除了在LEDs、LDs和SCs上具有广泛的应用前景外，在光电探测器领域（PDs）也发挥着重要的作用，比如ZnO纳米阵列的紫外探测。总之，随着纳米领域与半导体领域的蓬勃发展，一系列宽禁带化合物半导体材料为新能源、新电子器件的发展带来了无限的潜力。这里，我们系统的调查研究了宽禁带半导体材料的研究现状。

【发文情况】

本次调查报告以Web of Science为检索工具，以wide-bandgap为关键词检索得到以下数据，从1998年至2018年。SCI共收录关于宽禁带半导体材料的研究文章共3821篇，下面是发文情况的具体分析：

1.年度发文统计

图1 不同年份发表的论文数

从统计数据中可以看出关于宽禁带半导体的相关论文发表数呈上升趋势，从2000年的不到100篇突破到2017年的近600篇。这说明宽禁带材料的研究越来越热门，研究者对于宽禁带材料的热情也越来越高。

2.发文类型的统计

图2 发表文章类型统计

关于宽禁带半导体材料研究方面，历年发表的文章包括论文、会议论文、综述社论和其他等，其中论文和会议论文占总数量的绝大多数。

3.不同研究方向发文统计

图3 不同研究方向论文数量统计

以上为历年不同研究方向论文数量统计图。从发文方向可以看出，宽禁带半导体材料的应用领域十分广泛。其中，工程、物理、材料科学、光学和化学类方向是研究的主流。此外，该类材料涉及的研究领域跨度也十分大，从物理到化学再到能源都有非常多的研究，说明该类材料应用前景十分良好。

4.发文量居前十位的期刊以及发文数量

表1 发表文章数排名前10的主要期刊

宽禁带半导体材料的文章发文数量巨大，从表1可以看出APL占据发文数量第一，多达114篇。此外像AM，AEM和AFM等三大顶级期刊也报道了许多关于宽禁带半导材料的相关文章。

5.发表论文最多的机构

表2 发表文章数排名前10的研究机构

随着宽禁带半导体材料的研究越来越热门，全球的科研机构都在积极的投入相关研究。从表3可以看出中国科学院高居发文榜第一，数量高达2841篇，美国能源部和法国国家科学研究院紧跟其后。

6.最具影响力的研究人员

宽禁带半导体材料研究的高被引文章一共79篇，热点文章8篇。下表是高被引文章中被引次数排名前10的文章与研究人员的统计情况。

表3 高被引文章中被引次数排名前10的文章与研究人员

6.国际公开专利年度发表情况

根据WIPO数据对“wide-bandgap” 材料的相关专利发表情况进行了检索并统计，截止2018年发表专利总数达到32110篇，下面是2008至2018年十年内专利发表的统计图表。从图表可以看出，近十年对于宽带隙半导体材料的专利数量每年都到达1500篇以上，这说明宽带隙半导材料的研究热度经久不衰。

【经典推荐】

经过调查发现，近两年涉及宽禁带半导体材料的热点文章越来越多是关于聚合物太阳能电池的。也就是说，宽禁带半导体材料的研究开始逐渐从传统的无机宽禁带化合物半导体材料拓展到现在的有机宽禁带半导体材料。以下汇总了无机宽禁带材料和有机宽禁带材料相关经典文章各三篇。

1. Quantum emission from hexagonal boron nitride monolayers, (Nature Nanotecnology, 2016, DOI:10.1038/NNANO.2015.242)
2. ZnO - nanostructures, defects, and devices, (Materials Today, 2007, DOI: 1016/S1369-7021(07)70078-0)
3. Oxide Semiconductor Thin-Film Transistors: A Review of Recent Advances, (Advacend Materials, 2012, DOI: 1002/adma.201103228)
4. High-efficiency and air-stable P3HT-based polymer solar cells with a new non-fullerene acceptor, (Nature Communications, 2016, DOI: 1038/ncomms11585)
5. Small-Molecule Acceptor Based on the Heptacyclic Benzodi(cyclopentadithiophene) Unit for Highly Efficient Nonfullerene Organic Solar Cells, (Journal of The American Chemical Society, 2017, DOI: 1021/jacs.7b01170)
6. Efficient Nonfullerene Polymer Solar Cells Enabled by a Novel Wide Bandgap Small Molecular Acceptor, (Advanced Materials, 2017, DOI: 1002/adma.201606054)

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

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