寬禁帶/超寬禁帶半導(dǎo)體材料特點(diǎn)

寬禁帶/超寬禁帶半導(dǎo)體：氮化鎵、碳化硅、氮化鋁、金剛石、氧化鎵等。

寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體: 有機(jī)會(huì)成為我國半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)崛起新的突破口。

三大主要應(yīng)用領(lǐng)域： 光電子、射頻電子、功率電子。

寬禁帶和超寬禁帶半導(dǎo)體優(yōu)越的材料特性

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，5G通信、智能物聯(lián)網(wǎng)、智能無人平臺(tái)，新能源汽車等新產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)芯片提出更高的要求，要求芯片能具有更高的頻率、更低的功耗、更大集成度和更可靠的工作性能，因此以GaN、SIC為代表的“第三代半導(dǎo)體材料與芯片“快速進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。

第一代Si、Ge支撐起微電子產(chǎn)業(yè)

主要應(yīng)用：集成電路芯片、微電子器件、分立器件、邏輯電路、存儲(chǔ)器等

第二代GaAs、InP等支撐起通訊產(chǎn)業(yè)

主要應(yīng)用：手機(jī)、通信、軍用電子、航空航天等

新一代GaN、SiC等無線產(chǎn)業(yè)

主要應(yīng)用：5G基站、電源轉(zhuǎn)換、雷達(dá)探測、航空航天、電動(dòng)汽車、光伏逆變

寬禁帶半導(dǎo)體在功率器件應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

禁帶寬度Eg>2 eV的半導(dǎo)體材料為寬禁帶半導(dǎo)體; Eg > 4 eV 的材料為超寬禁帶半導(dǎo)體

更高的功率轉(zhuǎn)換效率；更高工作頻率；更小芯片面積；單個(gè)器件更好的耐壓；小體積，小重量；減小系統(tǒng)整體的成本。

面向功率器件應(yīng)用領(lǐng)域的寬禁帶半導(dǎo)體：SiC、GaN；

重點(diǎn)關(guān)注的超寬禁帶半導(dǎo)體：Ga2O3、AlN和金剛石。

寬禁帶/超寬禁帶半導(dǎo)體是全球高技術(shù)競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域之一

我國政府高度重視，在“中國制造2025”、2035中長期科技規(guī)劃、十四五計(jì)劃中，均列為重點(diǎn)方向或前沿領(lǐng)域；美國等西方國家在關(guān)鍵材料、芯片、裝備等方面對(duì)我國實(shí)施禁運(yùn)和管控; 把我國多個(gè)企業(yè)和研發(fā)單位列入實(shí)體清單。

射頻電子材料和器件：支撐新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)核心器件的自主可控

相對(duì)于Si基和GaAs基射頻器件，具有更高功率、更高效率、更高工作溫度和抗輻射能力，是迄今最具優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體射頻電子器件；

同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、寬帶、大功率的唯一半導(dǎo)體材料，應(yīng)用于5G移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通訊、人工智能等領(lǐng)域。

微波功率器件和模塊

效率;可靠性;頻率—5G標(biāo)準(zhǔn);功率—傳播距離;帶寬—數(shù)據(jù)傳輸能力

功率電子材料和器件：支撐新能源汽車、高鐵等動(dòng)力系統(tǒng)的升級(jí)換代

功率半導(dǎo)體芯片是新能源汽車電控系統(tǒng)的“心臟”，約占整車半導(dǎo)體用量的80%，采用寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊可使體積重量減少80%，電能轉(zhuǎn)換效率提升20%，目前幾乎全部依賴進(jìn)口 。

高速軌道交通，如高鐵的動(dòng)力系統(tǒng)采用寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊可使系統(tǒng)體積減小20％，重量降低20％，系統(tǒng)損耗降低20％，西方對(duì)3300V以上SiC功率器件實(shí)施嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和禁運(yùn)；

我國SiC、GaN器件及模塊生產(chǎn)布局情況

寬禁帶/超寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件應(yīng)用在我國已進(jìn)入快速發(fā)展期

◆  2020年起Sub 6GHz 5G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)商用，到2025年預(yù)計(jì)建成5G基站500-550萬個(gè)；

◆  2025年新能源汽車約700萬臺(tái)，2023年起寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊用量將進(jìn)入快速發(fā)展期；

◆  2025年將建成3.6萬座電動(dòng)汽車充電站，車樁比將達(dá)到1:1；

◆  新冠疫情導(dǎo)致越來越多應(yīng)用搭載UV-LED用于殺菌， UV-LED芯片需求2025年將超過百億元。

到2030年我國對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體材料需求約6000萬片/年（按4英寸計(jì)），芯片需求超萬億顆。

我國SiC、GaN電力電子器件應(yīng)用市場規(guī)模預(yù)測（億元）

(數(shù)據(jù)來源：CSA Research)

西安電子科技大學(xué)寬禁帶功率半導(dǎo)體研究現(xiàn)狀

建有寬帶隙半導(dǎo)體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

建有寬禁帶半導(dǎo)體國家工程研究中心

采取完全國產(chǎn)化、自主創(chuàng)新的技術(shù)路線，從設(shè)備、材料生長、器件制備、電路系統(tǒng)等方面，形成完整的研究體系。

作者：張玉明（賈仁需）