中国科学院院士郝跃：第三代半导体的若干新进展

2023/12/05

第三代半导体具有优越的功率特性、高频特性、高能效和低损耗等特性，目前已经成为全球大国博弈的焦点。

——中国科学院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任郝跃

“敢”字为先，谋封测产业新发展。第21届中国半导体封装测试技术与市场年会于10月26日在江苏昆山盛大开幕。中国科学院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任郝跃以《第三代半导体的若干新进展》为题作主旨报告。报告指出，第三代半导体具有优越的功率特性、高频特性、高能效和低损耗等特性，目前已经成为全球大国博弈的焦点。当前，第三代半导体技术发展面临诸多挑战，如高可靠性，要通过半导体器件与材料的产教融合创新研发使其大有作为。在细分领域形成中国真正的产业链，从而推动科技和产业的发展。

半导体芯片长期处于大国科技和产业博弈的最前沿，是作为微电子器件领域的重要分支，对物联网、信息产业、武器装备、生物医疗、智能产业的发展具有重要意义。进入本世纪以来，半导体领域科技和应用具有两大主要成就，一是14nm以后的FinFET技术，推动了集成电路的不断发展；二是以氮化镓、碳化硅、氧化镓为代表的第三代（宽禁带）半导体器件技术，有进一步发展超越的趋势。

第三代半导体是指禁带宽度Eg>2eV的半导体材料， Eg>4eV 的材料为超宽禁带半导体。半导体器件的发展影响着国家安全、能源能耗及社会发展。近年来，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体及超宽禁带半导体材料具有耐高压、低功耗的显著优势，已经成为了中国功率半导体行业研发和产业化的重点。

一、第三代半导体的优势特性

从产业与科技的预期来讲，第三代半导体具有高功率特性、高效率和低损耗特性、高频率特性。

第一，优越的高功率特性。

第三代（宽禁带）半导体在高温高压、高功率、高电流密度和低导通电阻方面，具有明显优势。以往，由于所需驱动功率小、开关速度快，硅基的MOSFET在600V以下的应用中占据主流，由于导通损耗低、开关速度较快、耐压等级高、工作结温高、驱动方便，硅基的IGBT占据了600V~6500V高压应用市场。而碳化硅这类宽禁带半导体相比硅基IGBT更有性能突破的可能。

碳化硅适合中高压，650伏以上的电压等级。主要应用场景是新能源汽车、光伏逆变器以及工业的一些应用领域。氮化镓适合中低压，650伏以下，主要应用场景是快充，手机快充消费电子快充等。随着新能源汽车、电动汽车的普及，汽车行业也加入了如今的芯片竞争。与传统的汽车制造业不同，电动汽车的发展极大程度上依赖于半导体器件的发展。因此，第三代半导体的市场份额也在逐步增加。

第二，优越的高效率和低损耗特性。

导通电阻是硅器件的近1/1000（在相同的电压/电流等级下），可以大大降低器件的导通损耗。宽禁带半导体能提供低阻抗，以降低导通损耗，实现能效的提升。

第三，优越的高频特性。

GaN电子器件是在衬底材料上外延生长势垒层/沟道层材料。该结构可以实现高密度和高迁移率(速度)的2DEG，这是实现微波和大功率半导体器件的关键。

高频高压是第三代半导体材料器件的最大特性，最早被应用的第三代半导体材料器件包括碳化硅（SiC）、高频和短波器件，目前应用市场已成熟，同时碳化硅（SiC）器件也适用于极端的工作环境。42GHz 碳化硅 CMESFET 在军用雷达和通信领域的应用成为各国角逐的领域。

第四，氧化镓半导体新器件（超宽禁带半导体）

宽禁带半导体材料已经能较好支撑高效能半导体器件的发展。近几年来，学术界正在发展超宽禁带半导体氧化镓，Ga2O3具有4.8 eV的禁带宽度。超宽禁带半导体在理论上具备更高的击穿电压、更大的功率密度，为高功率、高压器件的发展提供了新的思路。

与当前产业界火热的第三代半导体GaN和SiC相比，Ga2O3功率器件在相同耐压情况下具有更低的导通电阻，应用于电能转换领域将实现更低的功耗和更高的转换效率。因此，近年来，氧化镓半导体已成为半导体国际研究热点和大国技术竞争制高点。

2018年以来，在郝跃院士领导下，西安电子科技大学通过自主氧化镓生长MOCVD设备、高质量氧化镓外延材料、高压器件新结构与新工艺等一系列技术创新，实现了氧化镓功率二极管和功率晶体管性能的高速提升，取得了多项里程碑成果，使我国氧化镓功率器件研究水平进入国际前列。

二、超宽禁带半导体成为博弈焦点

近年来，碳基电子材料与器件是国际半导体领域研究热点。其中，以金刚石为代表的超宽禁带半导体，在探测器、电子器件及光导开关等方面有着广阔的应用前景。

8月12日，美国商务部发布临时最终规定，对涉及GAAFET（全栅场效应晶体管）结构集成电路所必须的ECAD软件；金刚石和氧化镓为代表的产款禁带半导体材料；燃气涡轮发动机使用的压力增益燃烧（PGC）等四项技术实施新的出口管制。超宽禁带半导体成为博弈焦点。

三、第三代半导体发展面临的挑战

5G时代正在加快发展，半导体器件在航空航天、雷达探测、通信等行业广泛应用，新能源电动汽车、大数据中心越来越普及。宽禁带半导体的发展为未来半导体器件的发展带来了更多的可能性，但也存在着许多问题需要解决。

在氮化镓领域存在以下挑战：频率是否还能做的更高；高线性和低工作电压的问题；氮化镓的材料能不能进一步在6寸、8寸硅衬底甚至12寸上做得更好；高压（1万伏）的电力电子器件是否能做得更高；高可靠器件问题。

在碳化硅领域，第一个挑战是能否实现大尺寸、低缺陷的完美衬底材料；在超高压、超大功率和低损耗器件方面，是否还能做得更高；高可靠器件问题。

此外，宽禁带、其他化合物与硅异质异构集成电路，能否同时实现氮化镓和硅CMOS？在宽禁带半导体器件与电路设计方法学方面，由于硅和砷化镓不一样，设计上、封装上如何实现扬长避短、组合优化也颇受业内关注。

来源：第三代半导体产业技术战略联盟

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