?“敢”字為先，謀封測產(chǎn)業(yè)新發(fā)展。第21屆中國半導體封裝測試技術(shù)與市場年會于10月26日在江蘇昆山盛大開幕。中國科學院院士、國家自然科學基金委員會信息科學部主任郝躍以《第三代半導體的若干新進展》為題作主旨報告。報告指出，第三代半導體具有優(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)成為全球大國博弈的焦點。當前，第三代半導體技術(shù)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，如高可靠性，要通過半導體器件與材料的產(chǎn)教融合創(chuàng)新研發(fā)使其大有作為。在細分領(lǐng)域形成中國真正的產(chǎn)業(yè)鏈，從而推動科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

半導體芯片長期處于大國科技和產(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。進入本世紀以來，半導體領(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）半導體器件技術(shù)，有進一步發(fā)展超越的趨勢。

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

第三代半導體的優(yōu)勢特性

從產(chǎn)業(yè)與科技的預期來講，第三代半導體具有高功率特性、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。

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第三代（寬禁帶）半導體在高溫高壓、高功率、高電流密度和低導通電阻方面，具有明顯優(yōu)勢。以往，由于所需驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快，硅基的MOSFET在600V以下的應(yīng)用中占據(jù)主流，由于導通損耗低、開關(guān)速度較快、耐壓等級高、工作結(jié)溫高、驅(qū)動方便，硅基的IGBT占據(jù)了600V~6500V高壓應(yīng)用市場。而碳化硅這類寬禁帶半導體相比硅基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。主要應(yīng)用場景是新能源汽車、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)用場景是快充，手機快充消費電子快充等。隨著新能源汽車、電動汽車的普及，汽車行業(yè)也加入了如今的芯片競爭。與傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)不同，電動汽車的發(fā)展極大程度上依賴于半導體器件的發(fā)展。因此，第三代半導體的市場份額也在逐步增加。

第二，優(yōu)越的高效率和低損耗特性。

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

第三，優(yōu)越的高頻特性。

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

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

第四，氧化鎵半導體新器件（超寬禁帶半導體）

寬禁帶半導體材料已經(jīng)能較好支撐高效能半導體器件的發(fā)展。近幾年來，學術(shù)界正在發(fā)展超寬禁帶半導體氧化鎵，Ga2O3具有4.8 eV的禁帶寬度。超寬禁帶半導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。

與當前產(chǎn)業(yè)界火熱的第三代半導體GaN和SiC相比，Ga2O3功率器件在相同耐壓情況下具有更低的導通電阻，應(yīng)用于電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更低的功耗和更高的轉(zhuǎn)換效率。因此，近年來，氧化鎵半導體已成為半導體國際研究熱點和大國技術(shù)競爭制高點。

2018年以來，在郝躍院士領(lǐng)導下，西安電子科技大學通過自主氧化鎵生長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，取得了多項里程碑成果，使我國氧化鎵功率器件研究水平進入國際前列。

超寬禁帶半導體成為博弈焦點

近年來，碳基電子材料與器件是國際半導體領(lǐng)域研究熱點。其中，以金剛石為代表的超寬禁帶半導體，在探測器、電子器件及光導開關(guān)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

8月12日，美國商務(wù)部發(fā)布臨時最終規(guī)定，對涉及GAAFET（全柵場效應(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)款禁帶半導體材料；燃氣渦輪發(fā)動機使用的壓力增益燃燒（PGC）等四項技術(shù)實施新的出口管制。超寬禁帶半導體成為博弈焦點。

第三代半導體發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

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

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題；氮化鎵的材料能不能進一步在6寸、8寸硅襯底甚至12寸上做得更好；高壓（1萬伏）的電力電子器件是否能做得更高；高可靠器件問題。

在碳化硅領(lǐng)域，第一個挑戰(zhàn)是能否實現(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，能否同時實現(xiàn)氮化鎵和硅CMOS？在寬禁帶半導體器件與電路設(shè)計方法學方面，由于硅和砷化鎵不一樣，設(shè)計上、封裝上如何實現(xiàn)揚長避短、組合優(yōu)化也頗受業(yè)內(nèi)關(guān)注。