第三代半导体材料的发展与应用

　　第三代半导体材料的发展与应用美国对中国半导体产业的“极限打击”，在此一情势下，中国半导体产业的发展，或许要全面建立自己的底层逻辑、架构以及体系。总体而言，半导体的各个环节，中国都需要树立自立自强的思维。这其中，材料是基础。第三代半导体材料当是中国可以加强突破的一个关键。正所谓材料是一切技术的基础，“一代材料、一代技术、一代产业”。

　　前不久，学电子科学与工程学院副院长刘斌教授在对外演讲中详解了第三代半导体材料的特性、产业应用以及发展前景。精华内容分享如下：

　　从半导体产业发展的历程来看，从上世纪四、五十年代，从锗硅到集成电路，包括晶体管以及硅晶，逐步形成上千亿乃至上万亿规模的产业。这是第一代半导体材料；上世纪六七十年代，III-V族化合物半导体兴起，即是以砷化钾、磷化铟为代表的第二代半导体材料，主要应用于射频电子、红外激光器等半导体元器件，整体推动了通讯产业的变革。

　　当前，已是第三代半导体材料，起源于上世纪十年代，主要是以氮化钾、碳化硅为代表的宽禁带半导体，以及氧化钾、金刚石等超宽禁带半导体。根据材料特性优势，应用于射频电子、电力电子、固态化工元器件、以及显示等产业。以第三代半导体材料制成的元器件，正在推动照明、显示、5G通讯，功率电子领域产业的发展。

　　总体上，第三代半导体材料，主要以下特征：高功效。比如功率器件里高能量的光效。LED，已经替代了原来的白炽灯和日光灯，它主要体现了高光效的特点。另外，就是全光谱。氮化镓、碳化硅等，在宽禁带环境下，覆盖了较宽的光的波段，并形成全光谱的发射与探测。在功率电子方面，宽禁带半导体，由于优异的性质，有高功率、高耐压以及耐高频等特性，可以在更高的纯度上以及更高的温度下展开工作。因此，第三代半导体材料就其特性而言，主要用于功率电子、光电子、射频电子三大领域，成为新的半导体产业，正在崛起和突破。

　　第三代半导体技术也是当前全球高技术竞争的重要领域：2004年美国最早启动了基于第三代半导体的计划，2009年，欧盟把第三代半导体作为研发的重点。中国制造2025以及第“十四个五年规划”和2035年远景目标纲要，都强调了第三代宽禁带半导体的发展。至于美国，为了打压中国的科技发展，近期，其商务部又新增四项出口限制的禁令，除EDA设计软件外，也限制金刚石、氧化剂等超宽禁带半导体等四项材料对中国的出口。此外，3300伏以上超高耐压的功率器件，西方国家对中国也是严格禁运的，具体说来，由于第三代半导体主要应用于功率芯片、射频芯片、光电芯片bat365正版唯一官网、显示芯片、传感芯片等领域，涉及到的产业有半导体照明、新型显示、新一代5G通讯、新能源汽车、轨道交通，以及雷达等产业领域，这些应用对我国的产业升级以及节能减排，等有重要的战略意义。

　　其一、射频电子领域：这是支撑新一代移动通讯技术的核心器件。过去通讯射频都是砷化镓，随着通讯从5G走向6G，第三代半导体是唯一可选择的半导体材料。因此，目前在互联网、5G/人工智能等方面的应用，华为、中兴等通讯企业，都在推动高频电子器件的产业发展。

　　其二、新能源汽车、高铁领域：基于碳化硅的功率器件，也是升级换代必须的一个器件和材料应用。在高速轨道交通中，以基于碳化硅的功率模块去替代，可以使体积减少20%，重量降低20%，能耗也可以降低20%。

　　其三、照明和显示领域：第三代半导体LED的照明产业，是我们国家的重要产业。基于氮化镓的照明技术，在中国已经极具规模。通过LED照明，我们国家实现2000亿度的节电量，极大地助益了节能减排。当前，重点围绕氮化镓LED，向近红外、紫外波长和更短波长的波段去拓展以及应用，到2026年，紫外LED的市场规模可以达到百亿。

　　其四、军用领域：射频功率器件是雷达共振的基础，要实现超远距离的军事侦察，包括电子干扰和对抗等，特别是在毫米波、超大功率器件的发展上，必须应用氮化镓这样新一代的雷达。美国萨德已在更换氮化镓功率器件，可以增加探测的距离，距离达到3000公里。

　　所以，总体来说，第三代半导体是我们国家新器件的关键技术之一。在5G通讯、人工智能、元宇宙、数据中心、轨道交通等都有着广泛的应用。另外，在节能减排方面，中国在2030年要达到碳峰值，2060年要实现碳中和，而第三代半导体，在节约能效上也是大有可为，特别是对将来的基础设施，数据中心以及5G基站方面建设的能效上，都会有大的提升。

　　至于第三代半导体在中国的发展，从碳化硅，氮化镓的应用规模上，到2025年，总体会有大幅度的提升。从第三代半导体创新链和产业链来看，主要还是材料方面，衬底到外延，再到设计、芯片、封装，应用，从技术链和创新链来看，衬底、外延、芯片是三个环节，是最为突出的。当前，碳化硅还是主要向大尺寸走，现在4英寸的碳化硅，已经逐步退出市场，当前主要是6英寸。氮化镓主流产品为2英寸，未来三至五年，将是4英寸的衬底，逐步占据主流。

　　刘斌院长简介：现任学电子学院教授、博导，入选教育部长江学者特聘教授、青年长江学者、国家优青，兼任学国家级集成电路产教融合创新平台，教育部光电芯片工程中心副主任，中国光电子行业协会等Micro-LED显示器件专委会委员。主要研究领域为III族氮化物半导体材料与器件，Micro-LED新型显示技术，近年专注于氮化镓基Micro-LED材料生长、器件制备与机理研究，与华为、天马微电子等龙头企业合作开发高密度车载用Micro-LED芯片，量子点集成全色Micro-LED器件。主持国家重点研发专项项目与课题，国家自然科学基金委面上项目，江苏省前沿引领技术项目等12项，参加国家自然科学基金创新群体项目，科技部“973”、“863”计划等项目，成果发表于Nature Nanotechnology、IEEE EDL/T-ED/PTL等学术期刊，共计发表论文180余篇，申请/授权发明专利60余项，其中9项专利转让/许可，参编专著5部/章节;获教育部高校自然科学一等奖，技术发明一等奖，中国产学研合作一等奖及个人创新奖。