半导体“卡脖子”的核心技术，第三代半导体材料的研发与突破

电子发烧友网报道（文/程文智）在目前的中美贸易摩擦下，电子产业首当其冲，特别是芯片产业，据业内人士透露，现在跟美国的公司交易，周期一般都特别长，而且基本都需要提前付款和面临各种各样的审查。如果是跟华为有交易的话，还要求来自美国的技术不能超过25%。这迫使国内很多企业不得不考虑国内的供应链企业提供的产品。

在半导体行业方面，根据2018年的统计数据，美国在全球半导体市场占有的份额为48%、韩国为24%、中国除去外资企业的市场份额的话，仅占3%左右的市场份额，当然这两年这个比例可能有所提升。

即便美国已经占了如此多的市场份额，美国国防部在今年上半年，还调整了其12个重点发展的关键技术顺序，将微电子技术和5G军事技术调整到了前两位。在2019年的时候超高速、飞行器、生物技术排在前几位。

西安电子 科技 大学微电子学院副院长、宽禁带半导体国家工程研究中心马晓华在最近的一个论坛上分析称，半导体芯片的博弈是如此的激烈，主要原因是 一个技术密集型的企业，不管从材料、制造以及装备，甚至包括它的管理和运营都是非常专业的一个体系，基本上涵盖了所有技术，走在最先进的前沿。

根据整个集成电路发展规律，半导体进行已经进入了5纳米的技术节点，从常规的二维的器件向三维器件发展。技术节点的发展，带来了一个很大的挑战，就是整个加工的能力逐渐集中到极少数的企业。

对于美国来说，这几年他最大的一个优势是大量的研发投入，去年整个半导体收入有2260多亿美元，有17%的研发投入。正是因为美国的高投入，使得它能在半导体领域长期处于领导地位。不过这几年来，中国也开始加大了半导体基础方面的投入，这也是我们目前发展迅速的一个主要原因。

集成电路芯片技术发展趋势，除了常规的硅基，沿着制程不断缩小，实际上还有几个方面的发展趋势，从材料、器件和功能方面的高度融合，包括提供MEMS技术以及新型材料石墨烯的技术、光电以及通信一体化的芯片技术，甚至包括生物、传感、有源无源、功率射频如何融入一体的发展。所以未来的发展除了沿着摩尔定律制程的缩小以外，还有就是多功能的发展，以及个性化从新材料重新发展的体系。

在材料方面，除了硅基，第三代宽禁带半导体是这几年的热门技术，我国除了在硅基方面进行追赶外，在第三代半导体方面也做了很多投入，有了不少的创新研究。

其实，宽禁带半导体，经过LED照明和Micro LED的技术发展，它的市场已经比较成熟了，现在宽禁带半导体产业的产能已经有了很大的提升，成本也在逐渐下降。因此，宽禁带半导体在的电子器件，包括射频功率器件、 汽车 雷达、卫星通信，以及5G基站和雷达预警等应用领域开始得到应用。在电力电子方面，尤其是电动 汽车 应用领域，充电桩和手机充电器将是很大的一块市场。新能源 汽车 方面，特斯拉已经将碳化硅器件应用在了Model 3上，后续可能会有更多的 汽车 厂商跟进。

在未来的发展，包括未来6G通信，未来定义的业务它的频段更高，通信的速率更高，这一块未来主体的材料，硅基器件的性能已经不能满足要求，这对氮化镓器件的发展提供了更大的动力。

据马晓华介绍，西安电子 科技 大学在2000年初就开始了基于第三代半导体方面的研究。目前他们主要基于两个平台：一是宽禁带半导体器件与集成电路国家工程研究中心；二是两个国家级的重点实验室。

“我们在早期围绕着第三代半导体材料生长设备以及它解决材料生长过程中的一些关键技术问题，包括我们器件的设计、最终的应用和它的可靠性分析，整个实验室是一个非常完整的第三代半导体，材料和芯片研究的体系。目前我们实际上具备了整个小批量，可以实现大功率，或者毫米波芯片的设计和制造能力。”马晓华表示。

目前，他们主要的研发包括 面向高质量外延片的生产，包括基于碳化硅，大储存的硅寸，以及我们先进的氮化镓器件制造工艺，基于5G基站用的大功率芯片，以及高频和超高频的芯片，包括电源转换的电力电子芯片。 他还透露，“基于应用端我们也有一些功率研究以及MMIC电路的封装体系，我们也是希望和终端用户实现未来在芯片实际应用的全路径的体系。”

从2000年开始，马晓华他们的团队分别从设备、材料、芯片以及电路方面进行攻关，并取得了一定的成绩，2009年他们的设备获奖，2015年设计的器件获奖，2018、2019年在应用放，他们也获得了国家的 科技 发明，或者是 科技 进步奖。

第三代半导体方面的成果

一是氮化 镓 半导体设备。 在最开始，马晓华他们团队需要解决的是第三代半导体材料生产的设备问题，包括高温MOCVD，因为在早期，氮化镓的设备对我国的限制还比较大，但是目前问题已经基本得到了解决。国内这几年，整个MOCVD设备已经占了国内市场的50%以上。其2007年研发出的620型第三代MOCVD设备还获得了2009年国家发明二等奖。

二是氮化镓毫米波功率器件。 因为氮化镓一个很大的优势，它可以在高频条件下，实现大的功率输出。其团队研发的氮化镓毫米波功率器件实现了高频、高效率氮化镓微波功率器件的核心技术开发，其毫米波段器件和芯片技术指标达到了国际领先水平。马晓华透露说，目前他们的器件在6GHz频段能够满足5G毫米波的需求。

三是面向5G的C波段高效率氮化镓器件。 该类器件主要是面向基站使用的。目前基于4英寸或者6英寸大功率的氮化镓基站芯片，主要的应用场景是C波段，它可以实现更高的输出效率和更高的输出功率，“目前我们对100瓦基站用的芯片，效率可以到72%，这个效率相对于硅基MOCVD来讲，整个技术进展还是蛮快的。”马晓华指出。

他还进一步指出，对于脉冲方面，如果通过一些斜波的技术处理，他们也可以实现85%的效率，基本上快接近微波的极限效率。

四是低压氮化镓HEMT射频器件。 未来氮化镓器件除了在基站中使用外，能够在终端上也使用氮化镓技术呢？这就涉及到了低压氮化镓射频器件的发展了。也就是说要从新的材料体系方面去更新，实现氮化镓射频器件在终端上的应用，即在10V以下的工作电压下，是不是还能实现更高效率跟带宽的情况，“这块我们也做了前瞻的研究，在6V的工作条件下，它的效率可以达到65%以上，整个体系基本上已经接近砷化镓在目前手机中的应用效率。”马晓华透露。

五是氮化镓高线性毫米波器件。 这类器件主要解决的是快速的压缩问题。我们现在的通信对于线性主要是通过电路和系统去提升，它牺牲的是效率，马晓华指出，“我们能否从器件的结构，工作原理中提升它的线性，这个也是未来氮化镓在5G通信中非常有用的场景。”

六是氮化 镓 微波功率芯片。 他们团队在整个S波段以下，未来通信的频段都有一系列的研究成果。包括未来面向毫米波，在19-23GHz，或者23-25GHz等频段，即未来5G的毫米波通信芯片方面也做了相关的研究，他透露说，目前他们研发的芯片产品主要是基于氮化镓低噪运放、驱动功放以及功率放大器等。

七是异质结构新材料与多功能集成器件。 未来的器件，除了基于氮化镓的器件，还有很多基于异质结构，或者多功能的芯片，它的模型基于硅基的氮化镓，以及硅基CMOS器件异质集成，因为如果采用硅基的话能够大大降低氮化镓和砷化镓铟等芯片成本，实现与CMOS集成、多功能集成，大大降低功耗。“这块我们也做了一些研究，通过对不同材料的转移和建核的方法，目前也实现了对硅基材料和氮化镓材料两种器件的优势互补，在未来电力电子这块，可能它的应用场景比较高。”马晓华指出。

八是大尺寸硅基氮化镓射频技术。 如果要大量的展开应用，尤其我们的消费电子类产品，对成本的要求很高。因此，低成本、大尺寸、基于硅基的氮化镓射频技术，也是一个需要发展的产业。这些技术的发展，一定会促进氮化镓在整个产业链中的应用，同时也降低了它的应用成本。

九是氮化 镓 可靠性机理研究。 马晓华也坦承，虽然第三代半导体的研究取得了一定的成果，但目前还有很多问题需要解决，比如氮化镓的可靠性和一些机理性问题，还需要企业应用过程中逐步反映到研发机构，他们相互去解决。“目前很多基于氮化镓机理性的问题，包括它的可靠性方面，我们还有一些机理上不是那么清晰和明确，这一块可能还需要一段时间，从应用的层面和研究的层面去协同解决”。

结语

对于第三代半导体器件和集成电路未来产业的发展，目前在通信、 汽车 和智能化未来的应用方面有非常大的潜力。国内目前从事这方面研究的企业和研究机构也很多，我们需要考虑的是如何从全产业链方面布局，实现产业化的聚集，从设备、材料，芯片设计制造和封测应用、服务以及人才方面的布局。

第三代半导体是一个很好的产业，也有着很好的机遇，目前正好面临着通信的高度发展，可以说现在是发展第三代半导体最好的时代。

1.美国英特尔（Intel）公司，以生产CPU芯片闻名于世！

2.三星(Samsung)电子公司成立于1969年，初期主要生产家用电子产品，如

电视机和录像机等。七十年代始进入国际市场，逐渐发展成为全球五大电

子公司之一，产品也由家电扩展到计算机、通讯等诸多方面。九十年代由

于经济方面的原因，三星公司进行了大规模的战略重组。1978年，三星半

导体从三星电子公司分立出来而成为独立的实体，1983年起随着成功发展

了64K DRAM超大规模集成电路，从此在单一家电类半导体产品基础上发展

了许多新的半导体产品，逐渐成为全球领先的半导体厂商。它的半导体产

品主要有DRAM、SRAM、闪速存储器、ASIC、CPU和TFF-LCD板等等。

3.德州仪器(TI)公司总部位于美国德克萨斯州达拉斯城，是一家全球性的

半导体公司，是世界领先的数字信号处理和模拟技术的设计商、供应商，

是推动电子数字化进程的引擎。主要IC产品有：数字信号处理器、模拟和

混合信号器件、数字逻辑、ASIC、微控制器、语音和图形处理器、可编程

逻辑、军用器件等。

4.东芝(Toshiba)在国际市场上盛名远扬，家喻户晓。在日本之外，东芝拥

有100多家子公司和协作公司的庞大全球网络，仅海外子公司便拥有40,000

多名雇员，他们遍及全球各地，从事着从科研到采购、生产、销售以及市

场调研等工作。分布在世界各地的39个厂家构成东芝的生产网络，制造品

种繁多的产品，包括最先进的半导体元件、显象管、彩色电视机、移动式

计算个人电脑、光?磁存储、消耗品及工业用发电机和变电装置。这些技术

和设备均处世界领先地位的东芝生产厂家,强有力地保障着公司技术和整体

能力的发展，推动着电子工业的进步；同时也提供了更多的就业机会，进

一步促进了当地经济的蓬勃发展。

5.台积电(TSMC)成立于1987年，是全球最大的专业集成电路制造服务公司

。身为专业集成电路制造服务业的创始者与领导者，TSMC在提供先进晶圆

制程技术与最佳的制造效率上已建立声誉。自创立开始，TSMC即持续提供

客户最先进的技术；2006年的总产能超过七百万片约当八吋晶圆，全年营

收约占专业集成电路制造服务领域的百分之五十。

6.意法半导体会(ST)是全球性的独立半导体制造商。公司设计、生产、销

售一系列半导体IC和分立器件，用于远程通讯系统、计算机系统、消费电

子产品、汽车和工业自动化控制系统。ST是全球MPEG-2解码IC、数字机顶

盒IC、Smartcard MCU、特殊汽车IC和EEPROM非易失存储器最大供应商，也

是第二大模拟/混合信号ASSP和ASIC、磁盘驱动IC及EEPROM存储器供应商。

公司的产品采用一系列专有制作工艺和设计方法设计生产，可提供3000多

种主要型号产品。

ST公司是1987年由法国Thomson Semiconductors和意大利SGS

Microelectronics合并而成。自从成立以来，ST公司不断扩大生产能力，

目前公司拥有雇员约34,000人，共有9个研发机构，35个设计和应用中心，

17个生产据点，并在24个国家建立了62个销售部门。公司总部一部分在法

国St Genis,另一部分在瑞士日内瓦，在美国、新加坡、日本设立了地区总

部。ST公司十分重视技术发展，1999年投入26.6%销售收入用于产品研发，

共完成了751项新专利应用。公司设计销售几乎每种型号半导体器件，从简

单的晶体管到世界上最复杂的IC产品，覆盖了所有主要的半导体器件。其

中包括：专用IC、微处理器、半定制IC、存储器、标准IC、分立元件等。

7.瑞萨科技(Renesas)在2003 年4 月1 日正式成立，以领先的科技实现人

类的梦想。结合了日立与三菱电机在半导体领域上的丰富经验和专业知识

，配合全球二万七千名员工的无限创意，我们将无处不在，超乎你的想像

。科技的价值在于让一切变得可能，身为一家具有领导性和值得信赖的智

能晶片解决方案供应商，我们对于拓展明日无处不在的网络世界，担当重

要的角色。我们的创造力具前瞻性，为人类创造出更舒适美好的生活。

瑞萨精密的AFE ，运用10/12/14-bit 高信号解析度，可达到极佳讯号/噪

音比率，并融合影像处理器的原创IP 技术，以提供高品质的数位摄影。同

时，瑞萨亦是DVD 录影科技先驱，晶片设计整合不同要求，产品包括了

MPEG LSIs 、AFE 类比、DVD DSPs 、ODD 信号处理器及嵌入式的MCU 。瑞

萨同时更掌握LCD 液晶体电视的新科技，除了生产LCD-TV 的核心系统，也

有各重要部份：影像数据晶片、LCD 时间控制器、LCD 驱动器、M16C 及

H8S 微控制器、驱动器解决方案、订制平台、ASSPs...等。

8.海力士(Hynix)1983年开始运作，目前已经发展成为世界级电子公司，拥

有员工约22,000人，1999年总资产达20万亿。在DRAM存储器领域，Hynix

Semiconductor产量居世界前列。目前，公司经改组之后，核心业务主要集

中于三个部分：半导体、通信和LCD。

9.索尼(Sony)半导体分部是索尼电子公司1995年3月在美国加州圣约瑟市建

立的一个分部，该分部使索尼公司能够对变幻莫测、竞争激烈的美国半导

体市场迅速做出反应，为索尼电子公司发展高附加值的通讯、音频/视频、

计算机应用产品提供后备支持。

10.高通(Qualcomm）公司开发、销售一系列高性能FPGA半导体产品和软件

开发工具。公司原名Peer Research

Inc.，1988年4月由John Birkner,

Andy Chan 和 H.T. Chua创建， 1991年2月改名为QuickLogic公司，同时

发布了它的第一个FPGA产品--

pASIC1系列，并随后开发了基于PC计的开发

工具-- QuickWorks，以其容易使用和有效实用被广泛接受。1995年和1997

年又分别发布了pASIC 2和 pASIC 3两个系列的产品。1998年，QuickLogic

公司发布了一种新的器件，被称为ESP（Embedded Standard Products），

该器件基于QuickLogic公司的核心FPGA技术，结合了标准产品的优点和可

编程器件的灵活机动的特点。目前已发布三个系列的ESP产品，即QuickRAM

系列、QuickPCI系列和 QuickDSP 系列。

QuickLogic公司总部在美国加州，它的半导体产品主要由代工服务商生产

，Cypress Semiconductor主要代为生产采用0.65微米CMOS工艺的pASIC器

件，台湾的TSMC1996年起成为QuickLogic公司的代工服务商。

半导体系指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如电脑、行动电话或是数位录放音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有矽、锗、砷化镓等，而矽更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

材料的导电性是由「传导带」（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从「价带」（valence band）获得能量而跳跃至「导电带」时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的「能隙」非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带，所以无法导电。

一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。

半导体通过电子传导或电洞传导的方式传输电流。电子传导的方式与铜线中电流的流动类似，即在电场作用下高度离子化（ionization）的原子将多余的电子向着负离子化程度比较低的方向传递。电洞导电则是指在正离子化的材料中，原子核外由于电子缺失形成的「电洞」，在电场作用下，电洞被少数的电子补入而造成电洞移动所形成的电流（一般称为正电流）。

材料中载子（carrier）的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他「杂质」（三、五族元素）来控制。如果我们在纯矽中掺杂（doping）少许的砷或磷（最外层有五个电子），就会多出一个自由电子，这样就形成N型半导体；如果我们在纯矽中掺入少许的硼（最外层有三个电子），就反而少了一个电子，而形成一个电洞（电洞），这样就形成P型半导体（少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷）。,参考: zh. *** /w/index?title=%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94&variant=zh-,

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