發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體不能只拿來不創(chuàng)新

寬禁帶半導(dǎo)體（又稱第三代半導(dǎo)體）器件和材料產(chǎn)業(yè)已在國內(nèi)外開始部署。近年來，迅速發(fā)展起來的（超）寬禁帶半導(dǎo)體材料是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望成為支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料。中國科學(xué)院院士、西安電子科技大學(xué)教授郝躍介紹，寬禁帶半導(dǎo)體最明顯的特征是它的半導(dǎo)體禁帶寬度寬，在材料的性質(zhì)方面更接近絕緣體。因此，以氮化鎵和碳化硅為代表的這類寬禁帶半導(dǎo)體材料擁有擊穿電場強(qiáng)度高、工作溫度高、器件導(dǎo)通電阻低、電子密度高等優(yōu)勢。目前，寬禁帶半導(dǎo)體主要在3個(gè)領(lǐng)域有強(qiáng)大的市場競爭力。

第一是射頻器件，即微波毫米波器件。與砷化鎵和硅等半導(dǎo)體材料相比，在微波毫米波段的寬禁帶半導(dǎo)體器件工作效率和輸出功率明顯要高，適合做射頻功率器件。民用射頻器件主要應(yīng)用在移動通信方面，包括現(xiàn)在的4G、5G和未來的6G通信。例如，國內(nèi)新裝的4G和5G移動通信的基站幾乎全用氮化鎵器件。尤其是5G基站采用多輸入多輸出（MIMO）收發(fā)體制，每個(gè)基站64路收發(fā)，耗電量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度還要高于4G基站。未來6G通信頻率更高、基站數(shù)更多，矛盾將更加突出。

第二是大功率電力電子器件。快充裝置、輸變電系統(tǒng)、軌道交通、電動汽車和充電樁等都需要大功率、高效率的電力電子器件。碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體等具有比其他半導(dǎo)體材料更為明顯的優(yōu)勢。

第三是光電器件。寬禁帶半導(dǎo)體尤其在短波長光電器件方面有很明顯的優(yōu)勢。例如在藍(lán)光方面，現(xiàn)在半導(dǎo)體照明已經(jīng)采用了氮化鎵，在紫光、紫外光甚至在黃光、綠光等方面都可以直接用氮化物半導(dǎo)體作為材料。

從數(shù)據(jù)來看，自2017年至今，寬禁帶半導(dǎo)體器件的市場規(guī)模呈現(xiàn)非常明顯的上升趨勢。郝躍認(rèn)為，后摩爾時(shí)代硅集成電路芯片在集成度、功耗等方面面臨較大的挑戰(zhàn)，使摩爾定律按芯片集成度每18個(gè)月翻一番的規(guī)律有所變慢，于是必須尋求新的解決方案，如硅的三維集成電路和系統(tǒng)芯片等新的方案。系統(tǒng)芯片意味著要將硅的集成電路不斷地拓展到與其他材料或應(yīng)用融合的領(lǐng)域，不斷開辟新的應(yīng)用市場。

“我認(rèn)為硅集成電路與其他類型的半導(dǎo)體結(jié)合，如化合物半導(dǎo)體與硅器件高度結(jié)合，在硅襯底上生長化合物，這是后摩爾時(shí)代一個(gè)非常有意義、有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域，也是未來寬禁帶半導(dǎo)體器件和集成電路發(fā)展的重要方向。但是，寬禁帶半導(dǎo)體材料要替代硅是不可能的。當(dāng)前，90%以上集成電路使用的依然是硅基半導(dǎo)體，還有太陽能電池等主要用的都是硅材料。寬禁帶半導(dǎo)體器件和集成電路只在全球的半導(dǎo)體市場中占很小的份額，而且主要用在大功率射頻器件、電力電子器件和短波長光電器件中。雖然硅現(xiàn)在還是半導(dǎo)體材料的主流，但因?yàn)楣璨牧虾茈y發(fā)光，也很難在高頻下提高輸出功率，寬禁帶半導(dǎo)體才有了獨(dú)立的發(fā)展空間和巨大的應(yīng)用市場。”郝躍說。