第三代半导体的若干新进展

发布时间：2023-12-11 14:03:07

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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中国科学院院士郝跃，同时也是国家自然科学基金委员会信息科学部主任，近日在江苏昆山进行了一场主旨演讲，报告的主题是《第三代半导体的若干新进展》。郝跃在报告中强调，第三代半导体以其出色的功率特性、高频特性、高能效以及低损耗等特性，已经引发了全球大国的激烈竞争。然而，尽管第三代半导体技术具有显著的优势，但其发展仍面临着众多挑战，如何提高其可靠性等。为了克服这些挑战，我们需要通过半导体器件与材料的产教融合创新研发来推动其取得重大突破。通过形成真正的中国产业链，我们可以进一步推动科技和产业的发展。

半导体芯片作为微电子器件领域的核心部分，位于大国科技和产业博弈的前沿。它对物联网、信息产业、武器装备、生物医疗、智能产业的发展起到了至关重要的作用。进入本世纪以来，半导体领域在科技和应用方面取得了两项主要成就：一是14nm以后的FinFET技术，它推动了集成电路的持续发展；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，它呈现出进一步发展的趋势。

从科技和产业的角度来看，第三代半导体具有多个引人注目的优势特性。首先，它具有出色的高功率特性，能够在高温高压、高功率、高电流密度和低导通电阻条件下表现出优异的性能。这使得碳化硅等宽禁带半导体非常适合应用于中高压领域，例如650伏以上的电压等级，主要应用场景包括新能源汽车、光伏逆变器以及工业的一些应用领域。

其次，第三代半导体还具有优越的高效率和低损耗特性。宽禁带半导体能够提供低阻抗，从而降低导通损耗并提高能效。其导通电阻仅为硅器件的近1/1000（在相同的电压/电流等级下），这大大降低了器件的导通损耗。

最后，第三代半导体还具有出色的高频特性。例如，GaN电子器件是通过在衬底材料上外延生长势垒层/沟道层材料来制造的。这种结构可以实现高密度和高迁移率(速度)的2DEG，这是制造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，目前应用市场已经成熟，碳化硅（SiC）器件也被广泛应用于极端的工作环境。

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因其耐高压、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。其中，氧化镓作为一种超宽禁带半导体，具有4.8 eV的禁带宽度，其功率器件在相同耐压情况下具有更低的导通电阻，从而在电能转换领域实现更低的功耗和更高的转换效率。这使得氧化镓半导体成为了国际研究的热点和大国技术竞争的制高点。

碳基电子材料与器件也成为了国际半导体领域的研究热点。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。然而，超宽禁带半导体的出现也引发了新的国际技术竞争和博弈。例如，美国商务部最近对涉及GAAFET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等技术实施了新的出口管制。这进一步表明了超宽禁带半导体在全球科技竞争中的重要地位。

第三代半导体的发展正面临着诸多挑战。随着5G技术的不断进步，半导体器件在航空航天、雷达探测、通信等领域的应用日益广泛，同时新能源电动汽车和大数据中心也在不断普及。宽禁带半导体的发展为未来的半导体器件带来了更多的可能性，但同时也带来了许多问题。

在氮化镓领域，面临的挑战主要包括：如何进一步提高频率，实现高线性和低工作电压，优化氮化镓材料在6寸、8寸硅衬底甚至12寸上的性能，以及高压（1万伏）电力电子器件的可靠性。

在碳化硅领域，首要挑战是如何制备大尺寸、低缺陷的完美衬底材料，同时优化超高压、超大功率和低损耗器件的性能，并确保高可靠性。

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也是一大挑战。在宽禁带半导体器件与电路设计方法学方面，由于硅和砷化镓具有不同的特性，如何扬长避短、实现组合优化也是业内关注的焦点。

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