半導(dǎo)體“卡脖子”的核心技術(shù)，第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)與突破！

　　
　　在目前的中美貿(mào)易摩擦下，電子產(chǎn)業(yè)首當其沖，特別是芯片產(chǎn)業(yè)，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，現(xiàn)在跟美國的公司交易，周期一般都特別長，而且基本都需要提前付款和面臨各種各樣的審查。如果是跟華為有交易的話，還要求來自美國的技術(shù)不能超過25%。這迫使國內(nèi)很多企業(yè)不得不考慮國內(nèi)的供應(yīng)鏈企業(yè)提供的產(chǎn)品。

　　在半導(dǎo)體行業(yè)方面，根據(jù)2018年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國在全球半導(dǎo)體市場占有的份額為48%、韓國為24%、中國除去外資企業(yè)的市場份額的話，僅占3%左右的市場份額，當然這兩年這個比例可能有所提升。

　　即便美國已經(jīng)占了如此多的市場份額，美國國防部在今年上半年，還調(diào)整了其12個重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)順序，將微電子技術(shù)和5G軍事技術(shù)調(diào)整到了前兩位。在2019年的時候超高速、飛行器、生物技術(shù)排在前幾位。

　　西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院副院長、寬禁帶半導(dǎo)體國家工程研究中心馬曉華在最近的一個論壇上分析稱，半導(dǎo)體芯片的博弈是如此的激烈，主要原因是一個技術(shù)密集型的企業(yè)，不管從材料、制造以及裝備，甚至包括它的管理和運營都是非常專業(yè)的一個體系，基本上涵蓋了所有技術(shù)，走在最先進的前沿。

　　根據(jù)整個集成電路發(fā)展規(guī)律，半導(dǎo)體進行已經(jīng)進入了5納米的技術(shù)節(jié)點，從常規(guī)的二維的器件向三維器件發(fā)展。技術(shù)節(jié)點的發(fā)展，帶來了一個很大的挑戰(zhàn)，就是整個加工的能力逐漸集中到極少數(shù)的企業(yè)。

　　對于美國來說，這幾年他最大的一個優(yōu)勢是大量的研發(fā)投入，去年整個半導(dǎo)體收入有2260多億美元，有17%的研發(fā)投入。正是因為美國的高投入，使得它能在半導(dǎo)體領(lǐng)域長期處于領(lǐng)導(dǎo)地位。不過這幾年來，中國也開始加大了半導(dǎo)體基礎(chǔ)方面的投入，這也是我們目前發(fā)展迅速的一個主要原因。

　　集成電路芯片技術(shù)發(fā)展趨勢，除了常規(guī)的硅基，沿著制程不斷縮小，實際上還有幾個方面的發(fā)展趨勢，從材料、器件和功能方面的高度融合，包括提供MEMS技術(shù)以及新型材料石墨烯的技術(shù)、光電以及通信一體化的芯片技術(shù)，甚至包括生物、傳感、有源無源、功率射頻如何融入一體的發(fā)展。所以未來的發(fā)展除了沿著摩爾定律制程的縮小以外，還有就是多功能的發(fā)展，以及個性化從新材料重新發(fā)展的體系。

　　在材料方面，除了硅基，第三代寬禁帶半導(dǎo)體是這幾年的熱門技術(shù)，我國除了在硅基方面進行追趕外，在第三代半導(dǎo)體方面也做了很多投入，有了不少的創(chuàng)新研究。

　　其實，寬禁帶半導(dǎo)體，經(jīng)過LED照明和Micro LED的技術(shù)發(fā)展，它的市場已經(jīng)比較成熟了，現(xiàn)在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能已經(jīng)有了很大的提升，成本也在逐漸下降。因此，寬禁帶半導(dǎo)體在的電子器件，包括射頻功率器件、汽車雷達、衛(wèi)星通信，以及5G基站和雷達預(yù)警等應(yīng)用領(lǐng)域開始得到應(yīng)用。在電力電子方面，尤其是電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域，充電樁和手機充電器將是很大的一塊市場。新能源汽車方面，特斯拉已經(jīng)將碳化硅器件應(yīng)用在了Model 3上，后續(xù)可能會有更多的汽車廠商跟進。

　　在未來的發(fā)展，包括未來6G通信，未來定義的業(yè)務(wù)它的頻段更高，通信的速率更高，這一塊未來主體的材料，硅基器件的性能已經(jīng)不能滿足要求，這對氮化鎵器件的發(fā)展提供了更大的動力。

　　據(jù)馬曉華介紹，西安電子科技大學(xué)在2000年初就開始了基于第三代半導(dǎo)體方面的研究。目前他們主要基于兩個平臺：一是寬禁帶半導(dǎo)體器件與集成電路國家工程研究中心；二是兩個國家級的重點實驗室。

　　“我們在早期圍繞著第三代半導(dǎo)體材料生長設(shè)備以及它解決材料生長過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，包括我們器件的設(shè)計、最終的應(yīng)用和它的可靠性分析，整個實驗室是一個非常完整的第三代半導(dǎo)體，材料和芯片研究的體系。目前我們實際上具備了整個小批量，可以實現(xiàn)大功率，或者毫米波芯片的設(shè)計和制造能力?！瘪R曉華表示。

　　目前，他們主要的研發(fā)包括面向高質(zhì)量外延片的生產(chǎn)，包括基于碳化硅，大儲存的硅寸，以及我們先進的氮化鎵器件制造工藝，基于5G基站用的大功率芯片，以及高頻和超高頻的芯片，包括電源轉(zhuǎn)換的電力電子芯片。他還透露，“基于應(yīng)用端我們也有一些功率研究以及MMIC電路的封裝體系，我們也是希望和終端用戶實現(xiàn)未來在芯片實際應(yīng)用的全路徑的體系?！?br />
　　從2000年開始，馬曉華他們的團隊分別從設(shè)備、材料、芯片以及電路方面進行攻關(guān)，并取得了一定的成績，2009年他們的設(shè)備獲獎，2015年設(shè)計的器件獲獎，2018、2019年在應(yīng)用放，他們也獲得了國家的科技發(fā)明，或者是科技進步獎。

　　第三代半導(dǎo)體方面的成果

　　不久前，國家總共投資了4億元來建設(shè)寬禁帶半導(dǎo)體器件與集成電路國家工程研究中心，這個工程研究中心不僅僅承載著解決技術(shù)的問題，我們還承載著一些對原創(chuàng)性技術(shù)，包括我們國家在原創(chuàng)性產(chǎn)業(yè)技術(shù)上面的布局。目前他們在寬禁帶技術(shù)研究方面取得了不少的成果。據(jù)馬曉華介紹，目前他們主要取得了以下九個方面的成果。

　　一是氮化鎵半導(dǎo)體設(shè)備。在最開始，馬曉華他們團隊需要解決的是第三代半導(dǎo)體材料生產(chǎn)的設(shè)備問題，包括高溫MOCVD，因為在早期，氮化鎵的設(shè)備對我國的限制還比較大，但是目前問題已經(jīng)基本得到了解決。國內(nèi)這幾年，整個MOCVD設(shè)備已經(jīng)占了國內(nèi)市場的50%以上。其2007年研發(fā)出的620型第三代MOCVD設(shè)備還獲得了2009年國家發(fā)明二等獎。

　　二是氮化鎵毫米波功率器件。因為氮化鎵一個很大的優(yōu)勢，它可以在高頻條件下，實現(xiàn)大的功率輸出。其團隊研發(fā)的氮化鎵毫米波功率器件實現(xiàn)了高頻、高效率氮化鎵微波功率器件的核心技術(shù)開發(fā)，其毫米波段器件和芯片技術(shù)指標達到了國際領(lǐng)先水平。馬曉華透露說，目前他們的器件在6GHz頻段能夠滿足5G毫米波的需求。

　　三是面向5G的C波段高效率氮化鎵器件。該類器件主要是面向基站使用的。目前基于4英寸或者6英寸大功率的氮化鎵基站芯片，主要的應(yīng)用場景是C波段，它可以實現(xiàn)更高的輸出效率和更高的輸出功率，“目前我們對100瓦基站用的芯片，效率可以到72%，這個效率相對于硅基MOCVD來講，整個技術(shù)進展還是蠻快的?！瘪R曉華指出。

　　他還進一步指出，對于脈沖方面，如果通過一些斜波的技術(shù)處理，他們也可以實現(xiàn)85%的效率，基本上快接近微波的極限效率。

　　四是低壓氮化鎵HEMT射頻器件。未來氮化鎵器件除了在基站中使用外，能夠在終端上也使用氮化鎵技術(shù)呢？這就涉及到了低壓氮化鎵射頻器件的發(fā)展了。也就是說要從新的材料體系方面去更新，實現(xiàn)氮化鎵射頻器件在終端上的應(yīng)用，即在10V以下的工作電壓下，是不是還能實現(xiàn)更高效率跟帶寬的情況，“這塊我們也做了前瞻的研究，在6V的工作條件下，它的效率可以達到65%以上，整個體系基本上已經(jīng)接近砷化鎵在目前手機中的應(yīng)用效率?！瘪R曉華透露。

　　五是氮化鎵高線性毫米波器件。這類器件主要解決的是快速的壓縮問題。我們現(xiàn)在的通信對于線性主要是通過電路和系統(tǒng)去提升，它犧牲的是效率，馬曉華指出，“我們能否從器件的結(jié)構(gòu)，工作原理中提升它的線性，這個也是未來氮化鎵在5G通信中非常有用的場景?！?br />
　　六是氮化鎵微波功率芯片。他們團隊在整個S波段以下，未來通信的頻段都有一系列的研究成果。包括未來面向毫米波，在19-23GHz，或者23-25GHz等頻段，即未來5G的毫米波通信芯片方面也做了相關(guān)的研究，他透露說，目前他們研發(fā)的芯片產(chǎn)品主要是基于氮化鎵低噪運放、驅(qū)動功放以及功率放大器等。

　　七是異質(zhì)結(jié)構(gòu)新材料與多功能集成器件。未來的器件，除了基于氮化鎵的器件，還有很多基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)，或者多功能的芯片，它的模型基于硅基的氮化鎵，以及硅基CMOS器件異質(zhì)集成，因為如果采用硅基的話能夠大大降低氮化鎵和砷化鎵銦等芯片成本，實現(xiàn)與CMOS集成、多功能集成，大大降低功耗?！斑@塊我們也做了一些研究，通過對不同材料的轉(zhuǎn)移和建核的方法，目前也實現(xiàn)了對硅基材料和氮化鎵材料兩種器件的優(yōu)勢互補，在未來電力電子這塊，可能它的應(yīng)用場景比較高?！瘪R曉華指出。

　　八是大尺寸硅基氮化鎵射頻技術(shù)。如果要大量的展開應(yīng)用，尤其我們的消費電子類產(chǎn)品，對成本的要求很高。因此，低成本、大尺寸、基于硅基的氮化鎵射頻技術(shù)，也是一個需要發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。這些技術(shù)的發(fā)展，一定會促進氮化鎵在整個產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用，同時也降低了它的應(yīng)用成本。

　　九是氮化鎵可靠性機理研究。馬曉華也坦承，雖然第三代半導(dǎo)體的研究取得了一定的成果，但目前還有很多問題需要解決，比如氮化鎵的可靠性和一些機理性問題，還需要企業(yè)應(yīng)用過程中逐步反映到研發(fā)機構(gòu)，他們相互去解決?！澳壳昂芏嗷诘墮C理性的問題，包括它的可靠性方面，我們還有一些機理上不是那么清晰和明確，這一塊可能還需要一段時間，從應(yīng)用的層面和研究的層面去協(xié)同解決”。

　　結(jié)語

　　對于第三代半導(dǎo)體器件和集成電路未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前在通信、汽車和智能化未來的應(yīng)用方面有非常大的潛力。國內(nèi)目前從事這方面研究的企業(yè)和研究機構(gòu)也很多，我們需要考慮的是如何從全產(chǎn)業(yè)鏈方面布局，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的聚集，從設(shè)備、材料，芯片設(shè)計制造和封測應(yīng)用、服務(wù)以及人才方面的布局。

　　第三代半導(dǎo)體是一個很好的產(chǎn)業(yè)，也有著很好的機遇，目前正好面臨著通信的高度發(fā)展，可以說現(xiàn)在是發(fā)展第三代半導(dǎo)體最好的時代。