第三代半導體核芯氮化鎵，何時紅透半邊天？
第三代半導體核芯氮化鎵，何時紅透半邊天？
半導體研究隨著以空間技術、計算機為導向的第三次科技革命（1950年）拉開帷幕。半導體產業(yè)作為知識技術高度密集、資金密集、科研密集型產業(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（終端電子產品）組成。
第一代半導體材料：硅、鍺元素。金屬-氧化物半導體場效應晶體管（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、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、化學性質穩(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體的重要應用領域。
全球對第三代半導體材料的研究從2010年開始呈現井噴，我國成為僅次于美國的第二大科研產出國，側重于關鍵材料氮化鎵、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)、產業(yè)化上斥巨資進行大布局，開發(fā)氮化鎵功率元件等項目。全球氮化鎵器件的市場規(guī)模預計將從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，實現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、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行控制、管理、變換。碳化硅相較于氮化鎵研究時間更長、技術更成熟。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續(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(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、車燈等。LED是第三代半導體材料發(fā)展最快的應用領域。
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，目前基本依賴進口?？蛇\用GaN射頻功放管器件，實現核心器件國產化。
2、我國第三代半導體發(fā)展現狀
我國目前可實現2-4英寸SiC襯底量產；6英寸SiC單晶樣品已完成開發(fā)，但襯底質量不高；2-4英寸SiC外延片可實現量產，但依賴進口SiC襯底。已實現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。相較于發(fā)達國家，我國在第三代半導體領域研發(fā)、技術成型起步晚。科研機構研發(fā)資源分散、重復，產業(yè)轉化機制不及時、不健全，其中主因——高成本氮化鎵生產令資本望而卻步。
①繼續(xù)加強高校、科研機構間的合作。實現要點突破，如碳化硅熱學、力學性能穩(wěn)定，結晶生長困難，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，從而建立技術優(yōu)勢。如在制備關鍵材料、器件封測技術等領域深化研究，杜絕“中興巨嬰”，實現綠色核芯技術的中國智造。
③加大投資力度，保證完整產業(yè)鏈的設計、運行（尋找材料--芯片--封裝--裝備--系統(tǒng)），逐漸實現從科研產出大國到產業(yè)化大國的轉變。
近日香港科技大學最新研究發(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。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）技術的優(yōu)點，還呈現出可以在兆赫茲頻率中工作，出色熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢。我國科研產出一直位居世界前列，實現核心技術量產瓶頸有待突破。相信第三代半導體核芯氮化鎵，在電力電子、新能源、電動汽車、5G 通信技術、高速軌道列車、能源互聯(lián)網、智能工業(yè)、國防軍工安全等領域更前沿的應用指日可待！
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