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第三代半導體核心氮化鎵什么時候紅半邊天？

（2024年11月23日更新）

隨著以空間技術和計算機為導向的第三次科技革命（1950年）的開始，半導體研究開始了。半導體產(chǎn)業(yè)作為一個高度密集的知識技術、資本和科研產(chǎn)業(yè)，由上游（半導體材料）、中游（光電子、分離器件、傳感器、集成電路）和下游（終端電子產(chǎn)品）組成。

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第一代半導體材料：硅、鍺。金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極晶體管絕緣柵（IGBT）已廣泛應用于各種電子設備和集成電路中。

第二代半導體材料:砷化鎵、磷化鎵等化合物。禁帶寬度大于第一代半導體材料，但擊穿電壓不夠高，高溫高功率應用效果不理想。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，如氮化鎵、碳化硅、氮化鋁等。具有帶寬大、導熱性高、擊穿電場高、飽和電子速度高、電子密度高、頻率高、耐高壓、耐高溫、功率高、抗輻射能力強、化學性能穩(wěn)定、體積小、綠色節(jié)能等優(yōu)點。適用于制造高溫、高頻、抗輻射、大功率電子設備。目前，微波射頻，5G第三代半導體的重要應用領域是基站、新能源汽車、快速充電等。

自2010年以來，全球?qū)Φ谌雽w材料的研究一直在蓬勃發(fā)展。中國已成為僅次于美國的第二大科研生產(chǎn)國，專注于氮化鎵和碳化硅的研究，以及成型設備的性能優(yōu)化和應用創(chuàng)新。自2016年以來，美國、英國、日本等國家在第三代半導體材料的研發(fā)和工業(yè)化上投入了大量資金，開發(fā)了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165億美元增加到2023年的224.7億美元。

1 第三代半導體材料的應用

電能轉(zhuǎn)換：電能轉(zhuǎn)換需要電力電子設備，其核心是電力電子芯片，以實現(xiàn)更有效的能源利用。軌道交通、新能源汽車、光伏發(fā)電并網(wǎng)、空調(diào)、冰箱、手機充電器、計算機電源等都需要半導體設備來控制、管理和轉(zhuǎn)換電能。與氮化鎵相比，碳化硅研究時間更長，技術更成熟。目前，特斯拉有三種車型使用碳化硅設備，碳化硅晶片使電動汽車的耐久性提高了約10%。特斯拉在2018年首次首發(fā)Model 3，采用SiC MOSFET逆變器。

航空領域：第三代半導體電力電子設備可有效降低電源和配電子系統(tǒng)的重量和體積，降低航天器的發(fā)射成本，增加裝載容量，提高航天器電子設備的設計容量。

發(fā)光照明：可用于發(fā)光二極管（LED）、手機屏幕、電視屏幕、大型顯示屏、電燈、路燈、等。LED它是第三代半導體材料發(fā)展最快的應用領域。

移動通信：華為和ZTE每年需要購買數(shù)億只用于中基站的射頻功率放大器件，目前基本依賴進口。GaN射頻功放管器件，實現(xiàn)核心器件的定位。

2 中國第三代半導體發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國可實現(xiàn)2-4英寸SiC量產(chǎn)襯底；6寸SiC單晶樣品已開發(fā)完畢，但襯底質(zhì)量不高；2-4英寸SiC外延片可實現(xiàn)量產(chǎn)，但依賴進口SiC襯底。已實現(xiàn)2寸GaAltera代理N襯底、4英寸SiC襯底上GaN少量生產(chǎn)高電子遷移率晶體管片的少量生產(chǎn)。與發(fā)達國家相比，中國在第三代半導體領域的研發(fā)和技術成型起步較晚。研究機構的研發(fā)資源分散、重復，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型機制不及時、不完善，主要原因是高成本氮化鎵生產(chǎn)阻礙了資本。

①繼續(xù)加強高校與科研機構的合作。碳化硅熱學、機械性能穩(wěn)定、結晶生長困難等關鍵突破，缺乏大型單晶成熟的制備方法。氮化鎵的物理特性（量子陷阱結構的發(fā)光機制、熱壓和壓電效應等）的解釋不成熟，限制了設備的研發(fā)。

②明確具體研究方向，建立技術優(yōu)勢。例如，深化制備關鍵材料和設備密封測試技術領域的研究，杜絕ZTE巨嬰，實現(xiàn)中國綠色核心技術的智能制造。

③加大投資力度，確保產(chǎn)業(yè)鏈設計運行完整(尋找材料-芯片-包裝-設備-系統(tǒng))，逐步實現(xiàn)從科研產(chǎn)出到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)變。

近日，香港科技大學發(fā)布了氮化鎵基互補邏輯集成電路和氮化鎵高壓多溝設備技術。氮化鎵互補邏輯電路不僅擁有芯片制造的主流-硅基互補金屬氧化物半導體（CMOS）該技術的優(yōu)點也顯示出在兆赫茲頻率下工作、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。我國科研產(chǎn)出一直處于世界前列，實現(xiàn)核心技術量產(chǎn)瓶頸有待突破。相信電力電子、新能源、電動汽車、5G 在通信技術、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能工業(yè)、國防軍事安全等領域，更前沿的應用指日可待！

參考文獻：

氮化鎵(GaN)研究進展[J].2020年47日(18日)謝欣榮

[2]投資掀起熱潮！第三代半導體在哪里神圣？[J].2017(21)黃芳芳:42-46

[3]從文獻計量的角度下半導體材料SiC和GaN研究態(tài)勢[J].2020年50(03)，楊月衡，396-402