第三代半導體核芯氮化鎵，何時(shí)紅透半邊天？

半導體研究隨著(zhù)以空間技術(shù)、計算機為導向的第三次科技革命（1950年）拉開(kāi)帷幕。半導體產(chǎn)業(yè)作為知識技術(shù)高度密集、資金密集、科研密集型產(chǎn)業(yè)，由上游（半導體材料）、中游（光電子、分立器件、傳感器、集成電路）、下游（終端電子產(chǎn)品）組成。

第一代半導體材料：硅、鍺元素。金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）已在各類(lèi)電子器件、集成電路中廣泛應用。

第二代半導體材料：砷化鎵、磷化銦等化合物。禁帶寬度比第一代半導體材料大，但擊穿電壓不夠高，在高溫、高功率下應用效果不理想，砷化鎵源材料有毒，制備風(fēng)險高，環(huán)境不友好。

第三代半導體材料：氮化鎵、碳化硅、氮化鋁等寬禁帶半導體材料。具有禁帶寬度大、高導熱率、高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高電子密度、耐高頻、耐高壓、耐高溫、高光效、高功率、較強抗輻射能力、化學(xué)性質(zhì)穩定、體積小、綠色節能等優(yōu)勢。適合于制造高溫、高頻、抗輻射、大功率電子器件。目前，微波射頻、5G基站、新能源汽車(chē)、快充等都是第三代半導體的重要應用領(lǐng)域。

全球對第三代半導體材料的研究從2010年開(kāi)始呈現井噴，我國成為僅次于美國的第二大科研產(chǎn)出國，側重于關(guān)鍵材料氮化鎵、碳化硅的研究，以及對成型器件的性能優(yōu)化、應用創(chuàng )新。2016年開(kāi)始，美國、英國、日本等國家紛紛在第三代半導體材料的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化上斥巨資進(jìn)行大布局，開(kāi)發(fā)氮化鎵功率元件等項目。全球氮化鎵器件的市場(chǎng)規模預計將從2016年的165億美元增長(cháng)至2023年的224.7億美元。

1 第三代半導體材料的應用

電能轉換：電能轉換需要用到電力電子器件，它的核心是電力電子芯片，實(shí)現更為高效地使用能源。軌道交通、新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電并網(wǎng)、空調、冰箱、手機充電器、電腦電源等都需要用半導體器件對電能進(jìn)行控制、管理、變換。碳化硅相較于氮化鎵研究時(shí)間更長(cháng)、技術(shù)更成熟。特斯拉目前已有3種車(chē)型采用碳化硅器件，碳化硅晶片使電動(dòng)汽車(chē)續航力增加10%左右。2018年特斯拉首發(fā)Model 3，采用SiC MOSFET逆變器。

航空領(lǐng)域：第三代半導體電力電子器件可有效降低電源、配電分系統的重量和體積，降低航天器的發(fā)射成本并增加裝載容量，改善航天器電子設備的設計容限。

發(fā)光照明：可應用于發(fā)光二極管（LED）、手機屏、電視屏、大型顯示屏、電燈、路燈、車(chē)燈等。LED是第三代半導體材料發(fā)展最快的應用領(lǐng)域。

移動(dòng)通訊：華為、中興通訊每年需要采購上億只用于中基站的射頻功放管器件，目前基本依賴(lài)進(jìn)口?？蛇\用GaN射頻功放管器件，實(shí)現核心器件國產(chǎn)化。

2 我國第三代半導體發(fā)展現狀

我國目前可實(shí)現2-4英寸SiC襯底量產(chǎn)；6英寸SiC單晶樣品已完成開(kāi)發(fā)，但襯底質(zhì)量不高；2-4英寸SiC外延片可實(shí)現量產(chǎn)，但依賴(lài)進(jìn)口SiC襯底。已實(shí)現2英寸GaN襯底、4英寸SiC襯底上GaN高電子遷移率晶體管器件外延片的少量生產(chǎn)。相較于發(fā)達國家，我國在第三代半導體領(lǐng)域研發(fā)、技術(shù)成型起步晚?？蒲袡C構研發(fā)資源分散、重復，產(chǎn)業(yè)轉化機制不及時(shí)、不健全，其中主因——高成本氮化鎵生產(chǎn)令資本望而卻步。

①繼續加強高校、科研機構間的合作。實(shí)現要點(diǎn)突破，如碳化硅熱學(xué)、力學(xué)性能穩定，結晶生長(cháng)困難，缺乏大型單晶的成熟制備方法。對氮化鎵的物理特性（量子阱結構的發(fā)光機制、熱壓和壓電效應等）解釋不成熟，制約器件研究發(fā)展。

②明確具體研究方向，從而建立技術(shù)優(yōu)勢。如在制備關(guān)鍵材料、器件封測技術(shù)等領(lǐng)域深化研究，杜絕“中興巨嬰”，實(shí)現綠色核芯技術(shù)的中國智造。

③加大投資力度，保證完整產(chǎn)業(yè)鏈的設計、運行（尋找材料--芯片--封裝--裝備--系統），逐漸實(shí)現從科研產(chǎn)出大國到產(chǎn)業(yè)化大國的轉變。

近日香港科技大學(xué)最新研究發(fā)布氮化鎵基互補邏輯集成電路、氮化鎵高壓多溝道器件技術(shù)。氮化鎵互補型邏輯電路不僅擁有目前芯片制造主流——硅基互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還呈現出可以在兆赫茲頻率中工作，出色熱穩定性等優(yōu)勢。我國科研產(chǎn)出一直位居世界前列，實(shí)現核心技術(shù)量產(chǎn)瓶頸有待突破。相信第三代半導體核芯氮化鎵，在電力電子、新能源、電動(dòng)汽車(chē)、5G 通信技術(shù)、高速軌道列車(chē)、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能工業(yè)、國防軍工安全等領(lǐng)域更前沿的應用指日可待！

參考文獻：

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