第三代半導體材料的發展與應用

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美國對中國半導體產業的“極限打擊”，在此一情勢下，中國半導體產業的發展，或許要全面建立自己的底層邏輯、架構以及體系。總體而言，半導體的各個環節，中國都需要樹立自立自強的思維。這其中，材料是基礎。第三代半導體材料當是中國可以加強突破的一個關鍵。正所謂材料是一切技術的基礎，“一代材料、一代技術、一代產業”。

前不久，南京大學電子科學與工程學院副院長

劉斌教授

在對外演講中詳解了第三代半導體材料的特性、產業應用以及發展前景。精華內容分享如下：

一代材料一代產業

從半導體產業發展的歷程來看，從上世紀四、五十年代，從鍺矽到積體電路，包括電晶體以及矽晶，逐步形成上千億乃至上萬億規模的產業。這是第一代半導體材料；上世紀六七十年代，III-V族化合物半導體興起，即是以砷化鉀、磷化銦為代表的第二代半導體材料，主要應用於射頻電子、紅外鐳射器等半導體元器件，整體推動了通訊產業的變革。

當前，已是第三代半導體材料，起源於上世紀八九十年代，主要是以氮化鉀、碳化矽為代表的寬禁帶半導體，以及氧化鉀、金剛石等超寬禁帶半導體。根據材料特性優勢，應用於射頻電子、電力電子、固態化工元器件、以及顯示等產業。以第三代半導體材料製成的元器件，正在推動照明、顯示、5G通訊，其它功率電子領域產業的發展。

總體上，第三代半導體材料，主要以下特徵：高功效。比如功率器件裡高能量的光效。LED，已經替代了原來的白熾燈和日光燈，它主要體現了高光效的特點。另外，就是全光譜。氮化鎵、碳化矽等，在寬禁帶環境下，覆蓋了較寬的光的波段，並形成全光譜的發射與探測。在功率電子方面，寬禁帶半導體，由於優異的性質，有高功率、高耐壓以及耐高頻等特性，可以在更高的純度上以及更高的溫度下展開工作。因此，第三代半導體材料就其特性而言，主要用於功率電子、光電子、射頻電子三大領域，成為新的半導體產業，正在崛起和突破。

第三代半導體材料的具體應用

第三代半導體技術也是當前全球高技術競爭的重要領域：2004年美國最早啟動了基於第三代半導體的計劃，2009年，歐盟把第三代半導體作為研發的重點。中國製造2025以及第“十四個五年規劃”和2035年遠景目標綱要，都強調了第三代寬禁帶半導體的發展。至於美國，為了打壓中國的科技發展，近期，其商務部又新增四項出口限制的禁令，除EDA設計軟體外，也限制金剛石、氧化劑等超寬禁帶半導體等四項材料對中國的出口。此外，3300伏以上超高耐壓的功率器件，西方國家對中國也是嚴格禁運的，具體說來，由於第三代半導體主要應用於功率晶片、射頻晶片、光電晶片、顯示晶片、感測晶片等領域，涉及到的產業有半導體照明、新型顯示、新一代5G通訊、新能源汽車、軌道交通，以及雷達等產業領域，這些應用對我國的產業升級以及節能減排，國家安全等有重要的戰略意義。

其一、射頻電子領域：

這是支撐新一代移動通訊技術的核心器件。過去通訊射頻都是砷化鎵，隨著通訊從5G走向6G，第三代半導體是唯一可選擇的半導體材料。因此，目前在網際網路、5G\人工智慧等方面的應用，華為、中興等通訊企業，都在推動高頻電子器件的產業發展。

其二、新能源汽車、高鐵領域：

基於碳化矽的功率器件，也是升級換代必須的一個器件和材料應用。在高速軌道交通中，以基於碳化矽的功率模組去替代，可以使體積減少20%，重量降低20%，能耗也可以降低20%。

其三、照明和顯示領域：

第三代半導體LED的照明產業，是我們國家的重要產業。基於氮化鎵的照明技術，在中國已經極具規模。透過LED照明，我們國家實現2000億度的節電量，極大地助益了節能減排。當前，重點圍繞氮化鎵LED，向近紅外、紫外波長和更短波長的波段去拓展以及應用，到2026年，紫外LED的市場規模可以達到百億。

其四、軍用領域：

射頻功率器件是雷達共振的基礎，要實現超遠距離的軍事偵察，包括電子干擾和對抗等，特別是在毫米波、超大功率器件的發展上，必須應用氮化鎵這樣新一代的雷達。美國薩德已在更換氮化鎵功率器件，可以增加探測的距離，距離達到3000公里。

所以，總體來說，第三代半導體是我們國家新器件的關鍵技術之一。在5G通訊、人工智慧、元宇宙、資料中心、軌道交通等都有著廣泛的應用。另外，在節能減排方面，中國在2030年要達到碳峰值，2060年要實現碳中和，而第三代半導體，在節約能效上也是大有可為，特別是對將來的基礎設施，資料中心以及5G基站方面建設的能效上，都會有大的提升。

第三代半導體在中國的發展趨勢

至於第三代半導體在中國的發展，從碳化矽，氮化鎵的應用規模上，到2025年，總體會有大幅度的提升。從第三代半導體創新鏈和產業鏈來看，主要還是材料方面，襯底到外延，再到設計、晶片、封裝，應用，從技術鏈和創新鏈來看，襯底、外延、晶片是三個環節，是最為突出的。當前，碳化矽還是主要向大尺寸走，現在4英寸的碳化矽，已經逐步退出市場，當前主要是6英寸。氮化鎵主流產品為2英寸，未來三至五年，將是4英寸的襯底，逐步佔據主流。

劉斌院長簡介：現任南京大學電子學院教授、博導，入選教育部長江學者特聘教授、青年長江學者、國家優青，兼任南京大學國家級積體電路產教融合創新平臺，教育部光電晶片工程中心副主任，中國光電子行業協會等Micro-LED顯示器件專委會委員。主要研究領域為III族氮化物半導體材料與器件，Micro-LED新型顯示技術，近年專注於氮化鎵基Micro-LED材料生長、器件製備與機理研究，與華為、天馬微電子等龍頭企業合作開發高密度車載用Micro-LED晶片，量子點整合全色Micro-LED器件。主持國家重點研發專項專案與課題，國家自然科學基金委面上專案，江蘇省前沿引領技術專案等12項，參加國家自然科學基金創新群體專案，科技部“973”、“863”計劃等專案，成果發表於Nature Nanotechnology、IEEE EDL/T-ED/PTL等學術期刊，共計發表論文180餘篇，申請/授權發明專利60餘項，其中9項專利轉讓/許可，參編專著5部/章節；獲教育部高校自然科學一等獎，技術發明一等獎，中國產學研合作一等獎及個人創新獎。

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