郝跃院士：第三代半导体的若干新进展

       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

      近日，在第21届中国半导体封装测试技术与市场年会上。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。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。

      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。