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隨著以空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向的第三次科技革命（1950年）的開(kāi)始，半導(dǎo)體研究開(kāi)始了。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)高度密集的知識(shí)技術(shù)、資本和科研產(chǎn)業(yè)，由上游（半導(dǎo)體材料）、中游（光電子、分離器件、傳感器、集成電路）和下游（終端電子產(chǎn)品）組成。

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第一代半導(dǎo)體材料：硅、鍺。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極晶體管絕緣柵（IGBT）已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和集成電路中。

第二代半導(dǎo)體材料:砷化鎵、磷化鎵等化合物。禁帶寬度大于第一代半導(dǎo)體材料，但擊穿電壓不夠高，高溫高功率應(yīng)用效果不理想。砷化鎵源材料有毒，制備風(fēng)險(xiǎn)高，環(huán)境不友好。

第三代半導(dǎo)體材料，如氮化鎵、碳化硅、氮化鋁等。具有帶寬大、導(dǎo)熱性高、擊穿電場(chǎng)高、飽和電子速度高、電子密度高、頻率高、耐高壓、耐高溫、功率高、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)性能穩(wěn)定、體積小、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。適用于制造高溫、高頻、抗輻射、大功率電子設(shè)備。目前，微波射頻，5G第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域是基站、新能源汽車、快速充電等。

自2010年以來(lái)，全球?qū)Φ谌�代半�?dǎo)體材料的研究一直在蓬勃發(fā)展。中國(guó)已成為僅次于美國(guó)的第二大科研生產(chǎn)國(guó)，專注于氮化鎵和碳化硅的研究，以及成型設(shè)備的性能優(yōu)化和應(yīng)用創(chuàng)新。自2016年以來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家在第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)和工業(yè)化上投入了大量資金，開(kāi)發(fā)了氮化鎵功率元件等項(xiàng)目。全球氮化鎵器件的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2016年的165億美元增加到2023年的224.7億美元。

1 第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

電能轉(zhuǎn)換：電能轉(zhuǎn)換需要電力電子設(shè)備，其核心是電力電子芯片，以實(shí)現(xiàn)更有效的能源利用。軌道交通、新能源汽車、光伏發(fā)電并網(wǎng)、空調(diào)、冰箱、手機(jī)充電器、計(jì)算機(jī)電源等都需要半導(dǎo)體設(shè)備來(lái)控制、管理和轉(zhuǎn)換電能。與氮化鎵相比，碳化硅研究時(shí)間更長(zhǎng)，技術(shù)更成熟。目前，特斯拉有三種車型使用碳化硅設(shè)備，碳化硅晶片使電動(dòng)汽車的耐久性提高了約10%。特斯拉在2018年首次首發(fā)Model 3，采用SiC MOSFET逆變器。

航空領(lǐng)域：第三代半導(dǎo)體電力電子設(shè)備可有效降低電源和配電子系統(tǒng)的重量和體積，降低航天器的發(fā)射成本，增加裝載容量，提高航天器電子設(shè)備的設(shè)計(jì)容量。

發(fā)光照明：可用于發(fā)光二極管（LED）、手機(jī)屏幕、電視屏幕、大型顯示屏、電燈、路燈、等。LED它是第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域。

移動(dòng)通信：華為和ZTE每年需要購(gòu)買數(shù)億只用于中基站的射頻功率放大器件，目前基本依賴進(jìn)口。GaN射頻功放管器件，實(shí)現(xiàn)核心器件的定位。

2 中國(guó)第三代半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)可實(shí)現(xiàn)2-4英寸SiC量產(chǎn)襯底；6寸SiC單晶樣品已開(kāi)發(fā)完畢，但襯底質(zhì)量不高；2-4英寸SiC外延片可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但依賴進(jìn)口SiC襯底。已實(shí)現(xiàn)2寸GaAltera代理N襯底、4英寸SiC襯底上GaN少量生產(chǎn)高電子遷移率晶體管片的少量生產(chǎn)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研發(fā)和技術(shù)成型起步較晚。研究機(jī)構(gòu)的研發(fā)資源分散、重復(fù)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型機(jī)制不及時(shí)、不完善，主要原因是高成本氮化鎵生產(chǎn)阻礙了資本。

①繼續(xù)加強(qiáng)高校與科研機(jī)構(gòu)的合作。碳化硅熱學(xué)、機(jī)械性能穩(wěn)定、結(jié)晶生長(zhǎng)困難等關(guān)鍵突破，缺乏大型單晶成熟的制備方法。氮化鎵的物理特性（量子陷阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光機(jī)制、熱壓和壓電效應(yīng)等）的解釋不成熟，限制了設(shè)備的研發(fā)。

②明確具體研究方向，建立技術(shù)優(yōu)勢(shì)。例如，深化制備關(guān)鍵材料和設(shè)備密封測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的研究，杜絕ZTE巨嬰，實(shí)現(xiàn)中國(guó)綠色核心技術(shù)的智能制造。

③加大投資力度，確保產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)運(yùn)行完整(尋找材料-芯片-包裝-設(shè)備-系統(tǒng))，逐步實(shí)現(xiàn)從科研產(chǎn)出到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)變。

近日，香港科技大學(xué)發(fā)布了氮化鎵基互補(bǔ)邏輯集成電路和氮化鎵高壓多溝設(shè)備技術(shù)。氮化鎵互補(bǔ)邏輯電路不僅擁有芯片制造的主流-硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)也顯示出在兆赫茲頻率下工作、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)科研產(chǎn)出一直處于世界前列，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)量產(chǎn)瓶頸有待突破。相信電力電子、新能源、電動(dòng)汽車、5G 在通信技術(shù)、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能工業(yè)、國(guó)防軍事安全等領(lǐng)域，更前沿的應(yīng)用指日可待！

參考文獻(xiàn)：

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