发展宽禁带半导体不能只拿来不创新

宽禁带半导体（又称第三代半导体）器件和材料产业已在国内外开始部署。近年来，迅速发展起来的（超）宽禁带半导体材料是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、智能电网等领域具有广阔的应用前景，有望成为支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃介绍，宽禁带半导体最明显的特征是它的半导体禁带宽度宽，在材料的性质方面更接近绝缘体。因此，以氮化镓和碳化硅为代表的这类宽禁带半导体材料拥有击穿电场强度高、工作温度高、器件导通电阻低、电子密度高等优势。目前，宽禁带半导体主要在3个领域有强大的市场竞争力。

第一是射频器件，即微波毫米波器件。与砷化镓和硅等半导体材料相比，在微波毫米波段的宽禁带半导体器件工作效率和输出功率明显要高，适合做射频功率器件。民用射频器件主要应用在移动通信方面，包括现在的4G、5G和未来的6G通信。例如，国内新装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是5G基站采用多输入多输出（MIMO）收发体制，每个基站64路收发，耗电量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度还要高于4G基站。未来6G通信频率更高、基站数更多，矛盾将更加突出。

第二是大功率电力电子器件。快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体等具有比其他半导体材料更为明显的优势。

第三是光电器件。宽禁带半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。例如在蓝光方面，现在半导体照明已经采用了氮化镓，在紫光、紫外光甚至在黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。

从数据来看，自2017年至今，宽禁带半导体器件的市场规模呈现非常明显的上升趋势。郝跃认为，后摩尔时代硅集成电路芯片在集成度、功耗等方面面临较大的挑战，使摩尔定律按芯片集成度每18个月翻一番的规律有所变慢，于是必须寻求新的解决方案，如硅的三维集成电路和系统芯片等新的方案。系统芯片意味着要将硅的集成电路不断地拓展到与其他材料或应用融合的领域，不断开辟新的应用市场。

“我认为硅集成电路与其他类型的半导体结合，如化合物半导体与硅器件高度结合，在硅衬底上生长化合物，这是后摩尔时代一个非常有意义、有发展潜力的领域，也是未来宽禁带半导体器件和集成电路发展的重要方向。但是，宽禁带半导体材料要替代硅是不可能的。当前，90%以上集成电路使用的依然是硅基半导体，还有太阳能电池等主要用的都是硅材料。宽禁带半导体器件和集成电路只在全球的半导体市场中占很小的份额，而且主要用在大功率射频器件、电力电子器件和短波长光电器件中。虽然硅现在还是半导体材料的主流，但因为硅材料很难发光，也很难在高频下提高输出功率，宽禁带半导体才有了独立的发展空间和巨大的应用市场。”郝跃说。