鄭有炓院士：第三代半導(dǎo)體迎來(lái)新發(fā)展機(jī)遇
鄭有炓院士：第三代半導(dǎo)體迎來(lái)新發(fā)展機(jī)遇
來(lái)源： 鄭有炓 科技導(dǎo)報(bào)
鄭有炓，半導(dǎo)體材料與器件物理專(zhuān)家，中國(guó)科學(xué)院院士。長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料與器件物理研究，近年主要致力于第三代半導(dǎo)體材料與器件研究。
半導(dǎo)體材料是信息技術(shù)的核心基礎(chǔ)材料，一代材料、一代技術(shù)、一代產(chǎn)業(yè)，半個(gè)多世紀(jì)來(lái)從基礎(chǔ)技術(shù)層面支撐了信息技術(shù)翻天覆地的變化，推動(dòng)了電子信息科技產(chǎn)業(yè)可持續(xù)蓬勃發(fā)展。
同樣地，信息技術(shù)和電子信息科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求又驅(qū)動(dòng)了半導(dǎo)體材料與技術(shù)的發(fā)展。
第三代半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用
第三代半導(dǎo)體是指以GaN、SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，它是繼20世紀(jì)50年代以Ge、Si為代表的第一代半導(dǎo)體和70年代以GaAs、InP為代表的第二代半導(dǎo)體之后于90年代發(fā)展起來(lái)的新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，即禁帶寬度明顯大于Si（1.12 eV）和GaAs（1.43 eV）的半導(dǎo)體材料，通常界定為禁帶寬度大于2 eV的材料。
目前備受關(guān)注的有3類(lèi)材料：（1）III族氮化物半導(dǎo)體包括GaN（3.4 eV）、InN（0.7 eV）和AlN（6.2 eV）及其固溶合金材料；（2）寬禁帶IV族化合物的SiC（2.4~3.1 eV）和金剛石薄膜（5.5 eV）材料；（3）寬禁帶氧化物半導(dǎo)體包括Zn基氧化物半導(dǎo)體（2.8~4.0 eV）的ZnO、ZnMgO、ZnCdO材料和氧化鎵（β-Ga2O3，4.9 eV）。其中GaN、SiC材料已經(jīng)在許多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。
在光電子領(lǐng)域，基于GaN、InN、AlN及其形成的固溶體合金全組分直接能隙的優(yōu)異光電特性，發(fā)展了高效固態(tài)發(fā)光光源和固態(tài)紫外探測(cè)器件，填補(bǔ)了短波長(zhǎng)半導(dǎo)體光電子技術(shù)的空白，開(kāi)啟了白光照明、超越照明、全色LED顯示和固態(tài)紫外探測(cè)新紀(jì)元，經(jīng)過(guò)近20多年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了巨大的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，2019年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)6388億元。
在電子領(lǐng)域，基于GaN、SiC的寬帶隙、高電子飽和速度、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)等優(yōu)越的材料電子特性，發(fā)展了高能效、低功耗、高極端性能和耐惡劣環(huán)境的新一代微波射頻器件（GaN）和功率電子器件（SiC、GaN）。
GaN射頻器件與GaAs相比，具有更高工作電壓、更高功率、更高效率、高功率密度，更高工作溫度和更耐輻射能力。
功率電子器件與Si相比，具有更高工作電壓、高功率密度、高工作頻率、低通態(tài)電阻、極低反向漏電流和耐高溫、耐輻照特性。
新基建時(shí)代的新機(jī)遇
當(dāng)前，中國(guó)正在發(fā)力實(shí)施5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能新一代信息技術(shù)及其帶動(dòng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工聯(lián)網(wǎng)、智能制造，智慧能源、智慧城市、醫(yī)療健康、軌道交通等垂直行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（新基建），推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展。
5G時(shí)代新基建需求的牽引，成為第三代半導(dǎo)體繼21世紀(jì)初順應(yīng)世界能源與環(huán)境發(fā)展戰(zhàn)略需求迎來(lái)以LED半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)為特征的發(fā)展機(jī)遇之后，又迎來(lái)以第三代半導(dǎo)體電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)為特征的新一輪新發(fā)展機(jī)遇。
第三代半導(dǎo)體電子技術(shù)以其高能效、低功耗、高極端性能和耐惡劣環(huán)境的不可替代性?xún)?yōu)勢(shì)在微波射頻和功率電子兩個(gè)領(lǐng)域?qū)?G信息技術(shù)發(fā)展、新基建實(shí)施從技術(shù)底層發(fā)揮其重要的支撐作用。
微波射頻領(lǐng)域
射頻器件是射頻技術(shù)的核心基礎(chǔ)器件，作為射頻功率放大、有源射頻開(kāi)關(guān)和射頻功率源具有廣闊應(yīng)用前景。
GaN射頻器件與傳統(tǒng)的硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（Si-LDMOS）和GaAs器件相比，具有更高工作電壓、更高功率、更高效率、高功率密度，更高工作溫度和更耐輻射能力的優(yōu)勢(shì)，支撐新基建的實(shí)施，從高階高端的雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航和空間通信等軍事電子裝備應(yīng)用進(jìn)入到5G基站、物聯(lián)網(wǎng)、激光雷達(dá)、無(wú)人駕駛汽車(chē)毫米波雷達(dá)、人工智能以及通用固態(tài)射頻功率源等寬廣的民用領(lǐng)域，開(kāi)拓巨大的消費(fèi)電子市場(chǎng)，有望重塑射頻技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新格局。
例如，GaN射頻器件作為5G基站射頻功率放大器（PA）的核心器件，解決基站通信系統(tǒng)面臨的巨大能耗瓶頸，引發(fā)GaN射頻器件需求爆發(fā)式增長(zhǎng)。
5G宏基站高頻段工作，損耗大，傳輸距離短，5G基站要達(dá)到4G信號(hào)的同樣覆蓋目標(biāo)，將需4G基站數(shù)量的3~4倍（中國(guó)目前4G基站445萬(wàn)個(gè)），5G基站為提升網(wǎng)絡(luò)容量采用大規(guī)模陣列天線技術(shù)（MIMO），64通道的MIMO陣列天線的單基站PA需求量接近200個(gè)，從而5G基站的耗電量是4G的3~4倍，5G基站整體能耗將是4G的9倍以上。
因此，GaN射頻器件以其不可替代性?xún)?yōu)勢(shì)成為5G基站PA的必然選擇，也是4G基站PA升級(jí)的主流方向；新基建的實(shí)施為GaN射頻器件在雷達(dá)領(lǐng)域開(kāi)拓了廣闊的民用應(yīng)用場(chǎng)景。
GaN的毫米波雷達(dá)具有體積小、質(zhì)量輕和分辨率高以及穿透煙、霧、灰塵能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，將在車(chē)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧社會(huì)等諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，例如77 GHz 頻段的GaN毫米波雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的遠(yuǎn)程探測(cè)器，用來(lái)精確感知周邊障礙物，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航、前向碰撞預(yù)警等主動(dòng)安全領(lǐng)域的功能。
功率電子領(lǐng)域
功率電子器件是電能變換、管理的核心器件，器件的能效決定了電子系統(tǒng)、裝備和產(chǎn)品的能耗高低、體積和質(zhì)量大小、成本和可靠性高低以及智能移動(dòng)終端的續(xù)航能力。
現(xiàn)代電子系統(tǒng)或裝備對(duì)功率電子器件的需求越來(lái)越高，不僅要求更高功率密度和更高能效而且要求具有高極端特性和耐惡劣環(huán)境性能，傳統(tǒng)的Si功率電子器件轉(zhuǎn)換效率較低、需以巨額能耗為代價(jià)，而且器件性能諸如阻斷電壓、開(kāi)關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率和可靠性的提升又逐漸接近Si材料物理極限，面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
SiC、GaN功率電子器件擁有超越Si器件的優(yōu)異特性，可滿足5G信息技術(shù)新基建領(lǐng)域的新需求，解決數(shù)據(jù)中心、無(wú)線基站等信息基礎(chǔ)設(shè)施面臨的巨大能耗瓶頸以及支撐IT移動(dòng)智能終端實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、并提升續(xù)航能力，支撐新能源汽車(chē)、智慧能源、軌道交通、智能制造等新基建優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。
SiC、GaN功率電子器件因其材料電氣性能差異適于不同的電力應(yīng)用場(chǎng)景：SiC功率器件應(yīng)用于高壓、大功率的電力管控，諸如新能源汽車(chē)及其充電基礎(chǔ)設(shè)施和新能源電力逆變裝置和智慧能源系統(tǒng)。
據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)道，新能源汽車(chē)采用SiC功率模塊的逆變器可使開(kāi)關(guān)損耗降低75%（芯片溫度215℃），逆變器尺寸下降43%，質(zhì)量減輕6 kg，使汽車(chē)連續(xù)續(xù)航距離增加20%~30%。
中國(guó)是全球最大的新能源汽車(chē)市場(chǎng)，2019年中國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量116萬(wàn)輛，占據(jù)全球54%，車(chē)用功率器件市場(chǎng)增量巨大，為SiC功率電子器件與模塊產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的發(fā)展空間；GaN功率器件應(yīng)用于低電壓、高頻的電力管控，面對(duì)消費(fèi)類(lèi)電子領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。
特別是基于其工作頻率高、動(dòng)態(tài)損耗小、導(dǎo)通電阻低以及耐高溫、發(fā)熱量低的優(yōu)異性能，極適合作為開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用，為現(xiàn)代各種消費(fèi)類(lèi)電子終端提供綠色高效電源。
例如作為電源適配器快充電源，解決Si器件實(shí)現(xiàn)快充面臨提升功率又增大體積的矛盾，使電源功率損失和尺寸銳減達(dá)50%，不僅可縮短手機(jī)充電時(shí)間，有效提升續(xù)航能力，而且有望實(shí)現(xiàn)手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、AR眼鏡、VR頭盔等各種移動(dòng)終端充電的一體化，支撐可攜帶IT終端產(chǎn)品的發(fā)展，成為當(dāng)前GaN功率電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風(fēng)口，預(yù)計(jì)到2025年全球GaN快充產(chǎn)品市場(chǎng)將達(dá)到600多億元。
GaN功率器件與SiC相比，開(kāi)關(guān)速度更快，通態(tài)電阻更低，驅(qū)動(dòng)損耗更小，轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)熱更低，且Si基GaN器件更有成本較低的優(yōu)勢(shì)，因此GaN功率電子技術(shù)不僅在面廣量大的消費(fèi)類(lèi)電子領(lǐng)域，而且在新基建各種中低壓應(yīng)用場(chǎng)景中有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
前景展望
在5G信息技術(shù)時(shí)代，第三代半導(dǎo)體迎來(lái)新發(fā)展機(jī)遇，新基建的實(shí)施助推第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入黃金窗口期，呈現(xiàn)一派發(fā)展好勢(shì)頭，有望逐步實(shí)現(xiàn)自主可控、安全可靠的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)體系，與第一代、第二代半導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同支撐新一代信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，支撐中國(guó)新時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。
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