“敢”字為先，謀封測(cè)產(chǎn)業(yè)新發(fā)展。第21屆中國(guó)半導(dǎo)體封裝測(cè)試技術(shù)與市場(chǎng)年會(huì)于10月26日在江蘇昆山盛大開(kāi)幕。中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部主任郝躍以《第三代半導(dǎo)體的若干新進(jìn)展》為題作主旨報(bào)告。報(bào)告指出，第三代半導(dǎo)體具有優(yōu)越的功率特性、高頻特性、高能效和低損耗等特性，目前已經(jīng)成為全球大國(guó)博弈的焦點(diǎn)。當(dāng)前，第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，如高可靠性，要通過(guò)半導(dǎo)體器件與材料的產(chǎn)教融合創(chuàng)新研發(fā)使其大有作為。在細(xì)分領(lǐng)域形成中國(guó)真正的產(chǎn)業(yè)鏈，從而推動(dòng)科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

半導(dǎo)體芯片長(zhǎng)期處于大國(guó)科技和產(chǎn)業(yè)博弈的最前沿，是作為微電子器件領(lǐng)域的重要分支，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、信息產(chǎn)業(yè)、武器裝備、生物醫(yī)療、智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，半導(dǎo)體領(lǐng)域科技和應(yīng)用具有兩大主要成就，一是14nm以后的FinFET技術(shù)，推動(dòng)了集成電路的不斷發(fā)展；二是以氮化鎵、碳化硅、氧化鎵為代表的第三代（寬禁帶）半導(dǎo)體器件技術(shù)，有進(jìn)一步發(fā)展超越的趨勢(shì)。

第三代半導(dǎo)體是指禁帶寬度Eg>2eV的半導(dǎo)體材料， Eg>4eV 的材料為超寬禁帶半導(dǎo)體。半導(dǎo)體器件的發(fā)展影響著國(guó)家安全、能源能耗及社會(huì)發(fā)展。近年來(lái)，以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體及超寬禁帶半導(dǎo)體材料具有耐高壓、低功耗的顯著優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了中國(guó)功率半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)。

第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)特性

從產(chǎn)業(yè)與科技的預(yù)期來(lái)講，第三代半導(dǎo)體具有高功率特性、高效率和低損耗特性、高頻率特性。

第一，優(yōu)越的高功率特性。

第三代（寬禁帶）半導(dǎo)體在高溫高壓、高功率、高電流密度和低導(dǎo)通電阻方面，具有明顯優(yōu)勢(shì)。以往，由于所需驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快，硅基的MOSFET在600V以下的應(yīng)用中占據(jù)主流，由于導(dǎo)通損耗低、開(kāi)關(guān)速度較快、耐壓等級(jí)高、工作結(jié)溫高、驅(qū)動(dòng)方便，硅基的IGBT占據(jù)了600V~6500V高壓應(yīng)用市場(chǎng)。而碳化硅這類(lèi)寬禁帶半導(dǎo)體相比硅基IGBT更有性能突破的可能。

碳化硅適合中高壓，650伏以上的電壓等級(jí)。主要應(yīng)用場(chǎng)景是新能源汽車(chē)、光伏逆變器以及工業(yè)的一些應(yīng)用領(lǐng)域。氮化鎵適合中低壓，650伏以下，主要應(yīng)用場(chǎng)景是快充，手機(jī)快充消費(fèi)電子快充等。隨著新能源汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)的普及，汽車(chē)行業(yè)也加入了如今的芯片競(jìng)爭(zhēng)。與傳統(tǒng)的汽車(chē)制造業(yè)不同，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展極大程度上依賴(lài)于半導(dǎo)體器件的發(fā)展。因此，第三代半導(dǎo)體的市場(chǎng)份額也在逐步增加。

第二，優(yōu)越的高效率和低損耗特性。

導(dǎo)通電阻是硅器件的近1/1000（在相同的電壓/電流等級(jí)下），可以大大降低器件的導(dǎo)通損耗。寬禁帶半導(dǎo)體能提供低阻抗，以降低導(dǎo)通損耗，實(shí)現(xiàn)能效的提升。

第三，優(yōu)越的高頻特性。

GaN電子器件是在襯底材料上外延生長(zhǎng)勢(shì)壘層/溝道層材料。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高密度和高遷移率(速度)的2DEG，這是實(shí)現(xiàn)微波和大功率半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵。

高頻高壓是第三代半導(dǎo)體材料器件的最大特性，最早被應(yīng)用的第三代半導(dǎo)體材料器件包括碳化硅（SiC）、高頻和短波器件，目前應(yīng)用市場(chǎng)已成熟，同時(shí)碳化硅（SiC）器件也適用于極端的工作環(huán)境。42GHz 碳化硅 CMESFET 在軍用雷達(dá)和通信領(lǐng)域的應(yīng)用成為各國(guó)角逐的領(lǐng)域。

第四，氧化鎵半導(dǎo)體新器件（超寬禁帶半導(dǎo)體）

寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)能較好支撐高效能半導(dǎo)體器件的發(fā)展。近幾年來(lái)，學(xué)術(shù)界正在發(fā)展超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵，Ga2O3具有4.8 eV的禁帶寬度。超寬禁帶半導(dǎo)體在理論上具備更高的擊穿電壓、更大的功率密度，為高功率、高壓器件的發(fā)展提供了新的思路。

與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界火熱的第三代半導(dǎo)體GaN和SiC相比，Ga2O3功率器件在相同耐壓情況下具有更低的導(dǎo)通電阻，應(yīng)用于電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)更低的功耗和更高的轉(zhuǎn)換效率。因此，近年來(lái)，氧化鎵半導(dǎo)體已成為半導(dǎo)體國(guó)際研究熱點(diǎn)和大國(guó)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。

2018年以來(lái)，在郝躍院士領(lǐng)導(dǎo)下，西安電子科技大學(xué)通過(guò)自主氧化鎵生長(zhǎng)MOCVD設(shè)備、高質(zhì)量氧化鎵外延材料、高壓器件新結(jié)構(gòu)與新工藝等一系列技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了氧化鎵功率二極管和功率晶體管性能的高速提升，取得了多項(xiàng)里程碑成果，使我國(guó)氧化鎵功率器件研究水平進(jìn)入國(guó)際前列。

超寬禁帶半導(dǎo)體成為博弈焦點(diǎn)

近年來(lái)，碳基電子材料與器件是國(guó)際半導(dǎo)體領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。其中，以金剛石為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體，在探測(cè)器、電子器件及光導(dǎo)開(kāi)關(guān)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

8月12日，美國(guó)商務(wù)部發(fā)布臨時(shí)最終規(guī)定，對(duì)涉及GAAFET（全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)集成電路所必須的ECAD軟件；金剛石和氧化鎵為代表的產(chǎn)款禁帶半導(dǎo)體材料；燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用的壓力增益燃燒（PGC）等四項(xiàng)技術(shù)實(shí)施新的出口管制。超寬禁帶半導(dǎo)體成為博弈焦點(diǎn)。

第三代半導(dǎo)體發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

5G時(shí)代正在加快發(fā)展，半導(dǎo)體器件在航空航天、雷達(dá)探測(cè)、通信等行業(yè)廣泛應(yīng)用，新能源電動(dòng)汽車(chē)、大數(shù)據(jù)中心越來(lái)越普及。寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展為未來(lái)半導(dǎo)體器件的發(fā)展帶來(lái)了更多的可能性，但也存在著許多問(wèn)題需要解決。

在氮化鎵領(lǐng)域存在以下挑戰(zhàn)：頻率是否還能做的更高；高線性和低工作電壓的問(wèn)題；氮化鎵的材料能不能進(jìn)一步在6寸、8寸硅襯底甚至12寸上做得更好；高壓（1萬(wàn)伏）的電力電子器件是否能做得更高；高可靠器件問(wèn)題。

在碳化硅領(lǐng)域，第一個(gè)挑戰(zhàn)是能否實(shí)現(xiàn)大尺寸、低缺陷的完美襯底材料；在超高壓、超大功率和低損耗器件方面，是否還能做得更高；高可靠器件問(wèn)題。

此外，寬禁帶、其他化合物與硅異質(zhì)異構(gòu)集成電路，能否同時(shí)實(shí)現(xiàn)氮化鎵和硅CMOS？在寬禁帶半導(dǎo)體器件與電路設(shè)計(jì)方法學(xué)方面，由于硅和砷化鎵不一樣，設(shè)計(jì)上、封裝上如何實(shí)現(xiàn)揚(yáng)長(zhǎng)避短、組合優(yōu)化也頗受業(yè)內(nèi)關(guān)注。