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              郑有炓院士:第三代半导体迎来新发展机遇

              公司新闻 · 2021-10-13 17:32:34

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              郑有炓,半导体材料与器件物理专家,中国科学院院士。长期从事半导体异质结构材料与器件物理研究,近年主要致力于第三代半导体材料与器件研究。

              半导体材料是信息技术的核心基础材料,一代材料、一代技术、一代产业,半个多世纪来从基础技术层面支撑了信息技术翻天覆地的变化,推动了电子信息科技产业可持续蓬勃发展。

              同样地,信息技术和电子信息科技产业发展需求又驱动了半导体材料与技术的发展。

              第三代半导体材料及其应用

              第三代半导体是指以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料,它是继20世纪50年代以Ge、Si为代表的第一代半导体和70年代以GaAs、InP为代表的第二代半导体之后于90年代发展起来的新型宽禁带半导体材料,即禁带宽度明显大于Si(1.12 eV)和GaAs(1.43 eV)的半导体材料,通常界定为禁带宽度大于2 eV的材料。

              目前备受关注的有3类材料:(1)III族氮化物半导体包括GaN(3.4 eV)、InN(0.7 eV)和AlN(6.2 eV)及其固溶合金材料;(2)宽禁带IV族化合物的SiC(2.4~3.1 eV)和金刚石薄膜(5.5 eV)材料;(3)宽禁带氧化物半导体包括Zn基氧化物半导体(2.8~4.0 eV)的ZnO、ZnMgO、ZnCdO材料和氧化镓(β-Ga2O3,4.9 eV)。其中GaN、SiC材料已经在许多产业领域得到成功应用。

              在光电子领域,基于GaN、InN、AlN及其形成的固溶体合金全组分直接能隙的优异光电特性,发展了高效固态发光光源和固态紫外探测器件,填补了短波长半导体光电子技术的空白,开启了白光照明、超越照明、全色LED显示和固态紫外探测新纪元,经过近20多年的发展,技术日趋成熟,产业蓬勃发展,取得了巨大的科学、经济和社会效益,2019年市场规模达6388亿元。

              在电子领域,基于GaN、SiC的宽带隙、高电子饱和速度、高击穿电场、高热导率和低介电常数等优越的材料电子特性,发展了高能效、低功耗、高极端性能和耐恶劣环境的新一代微波射频器件(GaN)和功率电子器件(SiC、GaN)。

              GaN射频器件与GaAs相比,具有更高工作电压、更高功率、更高效率、高功率密度,更高工作温度和更耐辐射能力。

              功率电子器件与Si相比,具有更高工作电压、高功率密度、高工作频率、低通态电阻、极低反向漏电流和耐高温、耐辐照特性。

              新基建时代的新机遇

              当前,中国正在发力实施5G通信、物联网、大数据、云计算和人工智能新一代信息技术及其带动车联网、工联网、智能制造,智慧能源、智慧城市、医疗健康、轨道交通等垂直行业转型升级发展的新型基础设施建设(新基建),推动中国经济社会创新发展、高质量发展。

              5G时代新基建需求的牵引,成为第三代半导体继21世纪初顺应世界能源与环境发展战略需求迎来以LED半导体照明产业为特征的发展机遇之后,又迎来以第三代半导体电子技术产业为特征的新一轮新发展机遇。

              第三代半导体电子技术以其高能效、低功耗、高极端性能和耐恶劣环境的不可替代性优势在微波射频和功率电子两个领域对5G信息技术发展、新基建实施从技术底层发挥其重要的支撑作用。


              微波射频领域

              射频器件是射频技术的核心基础器件,作为射频功率放大、有源射频开关和射频功率源具有广阔应用前景。

              GaN射频器件与传统的硅横向扩散金属氧化物半导体(Si-LDMOS)和GaAs器件相比,具有更高工作电压、更高功率、更高效率、高功率密度,更高工作温度和更耐辐射能力的优势,支撑新基建的实施,从高阶高端的雷达、电子对抗、导航和空间通信等军事电子装备应用进入到5G基站、物联网、激光雷达、无人驾驶汽车毫米波雷达、人工智能以及通用固态射频功率源等宽广的民用领域,开拓巨大的消费电子市场,有望重塑射频技术领域发展的新格局。

              例如,GaN射频器件作为5G基站射频功率放大器(PA)的核心器件,解决基站通信系统面临的巨大能耗瓶颈,引发GaN射频器件需求爆发式增长。

              5G宏基站高频段工作,损耗大,传输距离短,5G基站要达到4G信号的同样覆盖目标,将需4G基站数量的3~4倍(中国目前4G基站445万个),5G基站为提升网络容量采用大规模阵列天线技术(MIMO),64通道的MIMO阵列天线的单基站PA需求量接近200个,从而5G基站的耗电量是4G的3~4倍,5G基站整体能耗将是4G的9倍以上。

              因此,GaN射频器件以其不可替代性优势成为5G基站PA的必然选择,也是4G基站PA升级的主流方向;新基建的实施为GaN射频器件在雷达领域开拓了广阔的民用应用场景。

              GaN的毫米波雷达具有体积小、质量轻和分辨率高以及穿透烟、雾、灰尘能力强,传输距离远的特点,将在车联网、物联网、智能制造、智慧社会等诸多领域获得广泛应用,例如77 GHz 频段的GaN毫米波雷达作为自动驾驶汽车的远程探测器,用来精确感知周边障碍物,以实现自动紧急制动、自适应巡航、前向碰撞预警等主动安全领域的功能。


              功率电子领域

              功率电子器件是电能变换、管理的核心器件,器件的能效决定了电子系统、装备和产品的能耗高低、体积和质量大小、成本和可靠性高低以及智能移动终端的续航能力。

              现代电子系统或装备对功率电子器件的需求越来越高,不仅要求更高功率密度和更高

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