第三代半导体核芯氮化镓，何时红透半边天？

半导体研究随着以空间技术、计算机为导向的第三次科技革命（1950年）拉开帷幕。半导体产业作为知识技术高度密集、资金密集、科研密集型产业，由上游（半导体材料）、中游（光电子、分立器件、传感器、集成电路）、下游（终端电子产品）组成。

第一代半导体材料：硅、锗元素。金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）已在各类电子器件、集成电路中广泛应用。

第二代半导体材料：砷化镓、磷化铟等化合物。禁带宽度比第一代半导体材料大，但击穿电压不够高，在高温、高功率下应用效果不理想，砷化镓源材料有毒，制备风险高，环境不友好。

第三代半导体材料：氮化镓、碳化硅、氮化铝等宽禁带半导体材料。具有禁带宽度大、高导热率、高击穿电场、高饱和电子速度、高电子密度、耐高频、耐高压、耐高温、高光效、高功率、较强抗辐射能力、化学性质稳定、体积小、绿色节能等优势。适合于制造高温、高频、抗辐射、大功率电子器件。目前，微波射频、5G基站、新能源汽车、快充等都是第三代半导体的重要应用领域。

全球对第三代半导体材料的研究从2010年开始呈现井喷，我国成为仅次于美国的第二大科研产出国，侧重于关键材料氮化镓、碳化硅的研究，以及对成型器件的性能优化、应用创新。2016年开始，美国、英国、日本等国家纷纷在第三代半导体材料的研发、产业化上斥巨资进行大布局，开发氮化镓功率元件等项目。全球氮化镓器件的市场规模预计将从2016年的165亿美元增长至2023年的224.7亿美元。

1 第三代半导体材料的应用

电能转换：电能转换需要用到电力电子器件，它的核心是电力电子芯片，实现更为高效地使用能源。轨道交通、新能源汽车、光伏发电并网、空调、冰箱、手机充电器、电脑电源等都需要用半导体器件对电能进行控制、管理、变换。碳化硅相较于氮化镓研究时间更长、技术更成熟。特斯拉目前已有3种车型采用碳化硅器件，碳化硅晶片使电动汽车续航力增加10%左右。2018年特斯拉首发Model 3，采用SiC MOSFET逆变器。

航空领域：第三代半导体电力电子器件可有效降低电源、配电分系统的重量和体积，降低航天器的发射成本并增加装载容量，改善航天器电子设备的设计容限。

发光照明：可应用于发光二极管（LED）、手机屏、电视屏、大型显示屏、电灯、路灯、车灯等。LED是第三代半导体材料发展最快的应用领域。

移动通讯：华为、中兴通讯每年需要采购上亿只用于中基站的射频功放管器件，目前基本依赖进口。可运用GaN射频功放管器件，实现核心器件国产化。

2 我国第三代半导体发展现状

我国目前可实现2-4英寸SiC衬底量产；6英寸SiC单晶样品已完成开发，但衬底质量不高；2-4英寸SiC外延片可实现量产，但依赖进口SiC衬底。已实现2英寸GaN衬底、4英寸SiC衬底上GaN高电子迁移率晶体管器件外延片的少量生产。相较于发达国家，我国在第三代半导体领域研发、技术成型起步晚。科研机构研发资源分散、重复，产业转化机制不及时、不健全，其中主因——高成本氮化镓生产令资本望而却步。

①继续加强高校、科研机构间的合作。实现要点突破，如碳化硅热学、力学性能稳定，结晶生长困难，缺乏大型单晶的成熟制备方法。对氮化镓的物理特性（量子阱结构的发光机制、热压和压电效应等）解释不成熟，制约器件研究发展。

②明确具体研究方向，从而建立技术优势。如在制备关键材料、器件封测技术等领域深化研究，杜绝“中兴巨婴”，实现绿色核芯技术的中国智造。

③加大投资力度，保证完整产业链的设计、运行（寻找材料--芯片--封装--装备--系统），逐渐实现从科研产出大国到产业化大国的转变。

近日香港科技大学最新研究发布氮化镓基互补逻辑集成电路、氮化镓高压多沟道器件技术。氮化镓互补型逻辑电路不仅拥有目前芯片制造主流——硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的优点，还呈现出可以在兆赫兹频率中工作，出色热稳定性等优势。我国科研产出一直位居世界前列，实现核心技术量产瓶颈有待突破。相信第三代半导体核芯氮化镓，在电力电子、新能源、电动汽车、5G 通信技术、高速轨道列车、能源互联网、智能工业、国防军工安全等领域更前沿的应用指日可待！

参考文献：

[1]第三代半导体材料氮化镓(GaN)研究进展[J].谢欣荣,2020,47(18):92-93

[2]投资掀热潮! 第三代半导体是何方神圣?[J].黄芳芳,2017(21):42-46

[3]文献计量视角下半导体材料SiC和GaN研究态势[J].杨岳衡,唐红艳,2020,50(03):396-402