鄭有炓院士：第三代半導體迎來新發展機遇
鄭有炓院士：第三代半導體迎來新發展機遇
來源： 鄭有炓 科技導報
鄭有炓，半導體材料與器件物理專家，中國科學院院士。長期從事半導體異質結構材料與器件物理研究，近年主要致力于第三代半導體材料與器件研究。
半導體材料是信息技術的核心基礎材料，一代材料、一代技術、一代產業，半個多世紀來從基礎技術層面支撐了信息技術翻天覆地的變化，推動了電子信息科技產業可持續蓬勃發展。
同樣地，信息技術和電子信息科技產業發展需求又驅動了半導體材料與技術的發展。
第三代半導體材料及其應用
第三代半導體是指以GaN、SiC為代表的寬禁帶半導體材料，它是繼20世紀50年代以Ge、Si為代表的第一代半導體和70年代以GaAs、InP為代表的第二代半導體之后于90年代發展起來的新型寬禁帶半導體材料，即禁帶寬度明顯大于Si（1.12 eV）和GaAs（1.43 eV）的半導體材料，通常界定為禁帶寬度大于2 eV的材料。
目前備受關注的有3類材料：（1）III族氮化物半導體包括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）寬禁帶氧化物半導體包括Zn基氧化物半導體（2.8~4.0 eV）的ZnO、ZnMgO、ZnCdO材料和氧化鎵（β-Ga2O3，4.9 eV）。其中GaN、SiC材料已經在許多產業領域得到成功應用。
在光電子領域，基于GaN、InN、AlN及其形成的固溶體合金全組分直接能隙的優異光電特性，發展了高效固態發光光源和固態紫外探測器件，填補了短波長半導體光電子技術的空白，開啟了白光照明、超越照明、全色LED顯示和固態紫外探測新紀元，經過近20多年的發展，技術日趨成熟，產業蓬勃發展，取得了巨大的科學、經濟和社會效益，2019年市場規模達6388億元。
在電子領域，基于GaN、SiC的寬帶隙、高電子飽和速度、高擊穿電場、高熱導率和低介電常數等優越的材料電子特性，發展了高能效、低功耗、高極端性能和耐惡劣環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、低通態電阻、極低反向漏電流和耐高溫、耐輻照特性。
新基建時代的新機遇
當前，中國正在發力實施5G通信、物聯網、大數據、云計算和人工智能新一代信息技術及其帶動車聯網、工聯網、智能制造，智慧能源、智慧城市、醫療健康、軌道交通等垂直行業轉型升級發展的新型基礎設施建設（新基建），推動中國經濟社會創新發展、高質量發展。
5G時代新基建需求的牽引，成為第三代半導體繼21世紀初順應世界能源與環境發展戰略需求迎來以LED半導體照明產業為特征的發展機遇之后，又迎來以第三代半導體電子技術產業為特征的新一輪新發展機遇。
第三代半導體電子技術以其高能效、低功耗、高極端性能和耐惡劣環境的不可替代性優勢在微波射頻和功率電子兩個領域對5G信息技術發展、新基建實施從技術底層發揮其重要的支撐作用。
微波射頻領域
射頻器件是射頻技術的核心基礎器件，作為射頻功率放大、有源射頻開關和射頻功率源具有廣闊應用前景。
GaN射頻器件與傳統的硅橫向擴散金屬氧化物半導體（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勢，支撐新基建的實施，從高階高端的雷達、電子對抗、導航和空間通信等軍事電子裝備應用進入到5G基站、物聯網、激光雷達、無人駕駛汽車毫米波雷達、人工智能以及通用固態射頻功率源等寬廣的民用領域，開拓巨大的消費電子市場，有望重塑射頻技術領域發展的新格局。
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，解決基站通信系統面臨的巨大能耗瓶頸，引發GaN射頻器件需求爆發式增長。
5G宏基站高頻段工作，損耗大，傳輸距離短，5G基站要達到4G信號的同樣覆蓋目標，將需4G基站數量的3~4倍（中國目前4G基站445萬個），5G基站為提升網絡容量采用大規模陣列天線技術（MIMO），64通道的MIMO陣列天線的單基站PA需求量接近200個，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優勢成為5G基站PA的必然選擇，也是4G基站PA升級的主流方向；新基建的實施為GaN射頻器件在雷達領域開拓了廣闊的民用應用場景。
GaN的毫米波雷達具有體積小、質量輕和分辨率高以及穿透煙、霧、灰塵能力強，傳輸距離遠的特點，將在車聯網、物聯網、智能制造、智慧社會等諸多領域獲得廣泛應用，例如77 GHz 頻段的GaN毫米波雷達作為自動駕駛汽車的遠程探測器，用來精確感知周邊障礙物，以實現自動緊急制動、自適應巡航、前向碰撞預警等主動安全領域的功能。
功率電子領域
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、裝備和產品的能耗高低、體積和質量大小、成本和可靠性高低以及智能移動終端的續航能力。
現代電子系統或裝備對功率電子器件的需求越來越高，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境性能，傳統的Si功率電子器件轉換效率較低、需以巨額能耗為代價，而且器件性能諸如阻斷電壓、開關頻率、轉換效率和可靠性的提升又逐漸接近Si材料物理極限，面臨嚴峻挑戰。
SiC、GaN功率電子器件擁有超越Si器件的優異特性，可滿足5G信息技術新基建領域的新需求，解決數據中心、無線基站等信息基礎設施面臨的巨大能耗瓶頸以及支撐IT移動智能終端實現小型化、輕量化、并提升續航能力，支撐新能源汽車、智慧能源、軌道交通、智能制造等新基建優勢應用領域產業發展的迫切需求。
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用場景：SiC功率器件應用于高壓、大功率的電力管控，諸如新能源汽車及其充電基礎設施和新能源電力逆變裝置和智慧能源系統。
據測試數據報道，新能源汽車采用SiC功率模塊的逆變器可使開關損耗降低75%（芯片溫度215℃），逆變器尺寸下降43%，質量減輕6 kg，使汽車連續續航距離增加20%~30%。
中國是全球最大的新能源汽車市場，2019年中國新能源汽車銷量116萬輛，占據全球54%，車用功率器件市場增量巨大，為SiC功率電子器件與模塊產業帶來巨大的發展空間；GaN功率器件應用于低電壓、高頻的電力管控，面對消費類電子領域具有極其廣闊的應用前景。
特別是基于其工作頻率高、動態損耗小、導通電阻低以及耐高溫、發熱量低的優異性能，極適合作為開關電源應用，為現代各種消費類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器件實現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50%，不僅可縮短手機充電時間，有效提升續航能力，而且有望實現手機、平板電腦、游戲機、AR眼鏡、VR頭盔等各種移動終端充電的一體化，支撐可攜帶IT終端產品的發展，成為當前GaN功率電子產業發展的風口，預計到2025年全球GaN快充產品市場將達到600多億元。
GaN功率器件與SiC相比，開關速度更快，通態電阻更低，驅動損耗更小，轉換效率更高，發熱更低，且Si基GaN器件更有成本較低的優勢，因此GaN功率電子技術不僅在面廣量大的消費類電子領域，而且在新基建各種中低壓應用場景中有著極其廣泛的應用前景。
前景展望
在5G信息技術時代，第三代半導體迎來新發展機遇，新基建的實施助推第三代半導體產業發展進入黃金窗口期，呈現一派發展好勢頭，有望逐步實現自主可控、安全可靠的第三代半導體產業體系，與第一代、第二代半導體優勢互補、協同支撐新一代信息技術創新發展，支撐中國新時期社會經濟的高質量發展。
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