第三代半導(dǎo)體核芯氮化鎵，何時(shí)紅透半邊天？

半導(dǎo)體研究隨著以空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向的第三次科技革命（1950年）拉開帷幕。半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料：硅、鍺元素。金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）已在各類電子器件、集成電路中廣泛應(yīng)用。

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

第三代半導(dǎo)體材料：氮化鎵、碳化硅、氮化鋁等寬禁帶半導(dǎo)體材料。具有禁帶寬度大、高導(dǎo)熱率、高擊穿電場、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(qiáng)抗輻射能力、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、體積小、綠色節(jié)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、快充等都是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

全球?qū)Φ谌雽?dǎo)體材料的研究從2010年開始呈現(xiàn)井噴，我國成為僅次于美國的第二大科研產(chǎn)出國，側(cè)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(yīng)用創(chuàng)新。2016年開始，美國、英國、日本等國家紛紛在第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化上斥巨資進(jìn)行大布局，開發(fā)氮化鎵功率元件等項(xiàng)目。全球氮化鎵器件的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2016年的165億美元增長至2023年的224.7億美元。

1 第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

電能轉(zhuǎn)換：電能轉(zhuǎn)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(xiàn)更為高效地使用能源。軌道交通、新能源汽車、光伏發(fā)電并網(wǎng)、空調(diào)、冰箱、手機(jī)充電器、電腦電源等都需要用半導(dǎo)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、技術(shù)更成熟。特斯拉目前已有3種車型采用碳化硅器件，碳化硅晶片使電動汽車?yán)m(xù)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(dǎo)體電力電子器件可有效降低電源、配電分系統(tǒng)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(shè)備的設(shè)計(jì)容限。

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

移動通訊：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，目前基本依賴進(jìn)口。可運(yùn)用GaN射頻功放管器件，實(shí)現(xiàn)核心器件國產(chǎn)化。

2 我國第三代半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

我國目前可實(shí)現(xiàn)2-4英寸SiC襯底量產(chǎn)；6英寸SiC單晶樣品已完成開發(fā)，但襯底質(zhì)量不高；2-4英寸SiC外延片可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但依賴進(jìn)口SiC襯底。已實(shí)現(xiàn)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(dá)國家，我國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)、技術(shù)成型起步晚。科研機(jī)構(gòu)研發(fā)資源分散、重復(fù)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化機(jī)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(xù)加強(qiáng)高校、科研機(jī)構(gòu)間的合作。實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)突破，如碳化硅熱學(xué)、力學(xué)性能穩(wěn)定，結(jié)晶生長困難，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(jié)構(gòu)的發(fā)光機(jī)制、熱壓和壓電效應(yīng)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(xiàn)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(shè)計(jì)、運(yùn)行（尋找材料--芯片--封裝--裝備--系統(tǒng)），逐漸實(shí)現(xiàn)從科研產(chǎn)出大國到產(chǎn)業(yè)化大國的轉(zhuǎn)變。

近日香港科技大學(xué)最新研究發(fā)布氮化鎵基互補(bǔ)邏輯集成電路、氮化鎵高壓多溝道器件技術(shù)。氮化鎵互補(bǔ)型邏輯電路不僅擁有目前芯片制造主流——硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還呈現(xiàn)出可以在兆赫茲頻率中工作，出色熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢。我國科研產(chǎn)出一直位居世界前列，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)量產(chǎn)瓶頸有待突破。相信第三代半導(dǎo)體核芯氮化鎵，在電力電子、新能源、電動汽車、5G 通信技術(shù)、高速軌道列車、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(yīng)用指日可待！

參考文獻(xiàn)：

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