隨著IC晶體管密度越來越接近物理極限，僅透過改進製造流程來提高IC性能變得越來越困難。 圍繞後摩爾時代IC產業如何發展，世界各國積極尋找新技術、新方法、新路徑。 為進一步推動後摩爾時代的技術創新，加速我國積體電路產業發展，中國半導體產業協會與中國電子報社聯合推出《院士談後摩爾時代的科技演進》系列報道時代》，將採訪相關領域院士，共同探討後摩爾時代半導體產業的發展方向。

目前，國內外正在佈局寬頻隙半導體（又稱第三代半導體）裝置及材料產業。寬禁帶半導體產業為何贏得市場青睞？申請過程中有哪些特色、困難和痛點？未來相關產業該朝什麼方向發展？郝躍就寬頻隙半導體產業目前存在的問題、發展困難以及未來發展方向分享了自己的看法。

記者：首先請您簡單介紹一下寬頻半導體的情況。這種半導體有什麼特點，在業界有哪些應用？

郝躍：寬帶隙半導體最明顯的特徵是禁帶寬度寬，在材料特性上更接近絕緣體。因此，以氮化鎵和碳化矽為代表的這類寬帶隙半導體材料，具有擊穿電場強度高、工作溫度高、裝置導通電阻低、電子密度高等優點，目前寬頻隙半導體主要在三個領域具有較強的市場競爭力。

首先是射頻元件，即微波毫米波裝置。與砷化鎵、矽等半導體材料相比，微波毫米波段寬禁帶半導體裝置的工作效率和輸出功率顯著提高，適用於射頻功率元件。民用射頻元件主要應用於行動通信，包括未來的4G、5G和6G通訊。例如，我國新安裝的4G、5G行動通訊基地台幾乎全部採用氮化鎵裝置。特別是，5G基地台採用MIMO收發系統。每個基地台發射和接收64個頻道，其功耗是4G基地台的三倍以上。而且該基地台的密度比4G基地台還要高，因此幾乎不可能採用高效能氮化鎵裝置。未來6G通訊頻率將會更高，基地台數量也將更加突出。

二是大功率電力電子裝置。快速充電裝置、輸變電系統、軌道運輸、電動車、充電樁等都需要高功率、高效率的電力電子裝置。毫無疑問，寬禁帶半導體，特別是碳化矽、氮化鎵比其他半導體材料更明顯的優勢。

三是光電器件。寬頻隙半導體尤其在短波長光電元件方面具有明顯的優勢。例如，藍光現在所有半導體照明都使用氮化鎵。在紫光、紫外光甚至黃光、綠光下都可以直接用作氮化物半導體材料。

當然還有其他的應用領域，像是探測器、感測器等等，應用非常廣泛。

註：根據數據顯示，寬頻隙半導體元件的市場規模自2017年以來呈現出非常明顯的上升趨勢。上取代矽？

郝躍：後摩爾時代，矽積體電路晶片在整合度和功耗方面面臨巨大挑戰，這使得摩爾定律的晶片整合度每18個月減慢一次。因此，人們尋求新的解決方案，包括矽3D積體電路和系統晶片的新解決方案。系統晶片也被稱為超越摩爾定律，是指矽積體電路不斷擴展，與其他材料或應用領域集成，開拓新的應用市場。

我認為矽積體電路與其他類型的半導體高度集成，例如化合物半導體和矽元件，在矽基板上生長化合物，這是後摩爾時代一個非常有趣、非常有前途的領域。也是未來寬頻隙半導體元件和積體電路發展的重要方向。

然而，寬帶隙半導體材料不可能取代矽。 90%以上的積體電路仍使用矽基半導體，以及主要由矽製成的太陽能電池。寬禁帶半導體裝置和積體電路在全球半導體市場中僅佔據較小份額，主要應用於高功率射頻裝置、電力電子裝置和短波長光電元件。矽仍然是占主導地位的半導體材料。由於矽材料難以在高頻下發光和提高輸出功率，寬頻半導體具有獨立的發展空間和龐大的應用市場。

記者：我國寬禁帶半導體材料與裝置向產業推廣過程中還存在哪些困難，造成這些困難的原因是什麼，如何解決？

郝躍：目前，中國半導體產業面臨「瓶頸」問題，主要表現在關鍵設備和材料。不過，在寬禁帶半導體設備方面，目前我們在大部分領域都實現了國產化，從材料生長、裝置和電路製程到測試封裝設備，國產基本上可以滿足需求。只有光刻技術仍未解決。事實上，氮化鎵等寬帶隙半導體所需的光刻製程並不需要非常先進。 90奈米的光刻精度就足夠了。在國家相關政策的支持下，我們可以實現這項技術。目前已經研發成功的光刻機應該盡快達到穩定量產​​，我們還需要在這方面做出努力。我們能做好可以產業化的東西，我們一定要做到。

記者：有廠商表示，目前在許多前沿領域，國產半導體元件產量還不能滿足要求（例如裝置效率），為什麼？如何解決這些問題呢？

郝躍：高導熱率和低損耗是寬頻半導體的固有優勢。問題是我們在產品開發中沒有充分利用這些優勢。例如，氮化鎵在4GHz頻率輸出100W功率時，元件效率可達70%以上。對於其他材料，能達到50%就不錯了，高效率是由材料的性質決定的。無論是氮化鎵還是碳化矽，寬頻隙半導體效率都非常高。但在裝置的後續應用中，確保每一步材料的低損耗非常重要。

以碳化矽元件為例，生產完成後的封裝，目前我們的裝置封裝基本上未能實現，根據裝置特性和應該做的，仍然採用大功率裝置的矽片封裝模式，從而增加了損耗，對寬禁帶半導體的高效率和低損耗的封裝來說，基本上沒有影響。這只是一個例子，我認為在技術採用方面還有很多事情可以做。

記者：如果寬頻隙半導體技術進一步普及，能否滿足電子裝置高性能、耐高溫、長壽命的高端要求？

郝躍：我覺得可以徹底解決。因為在寬禁帶半導體方面，我們的裝置開發技術和指標基本上都與國際同步，甚至有些指標是領先的。問題是這些技術從研發到生產的速度有多快。目前，國內很多廠商本身並沒有研發能力，基本上就是走主義。例如我們西安電子科技大學寬頻隙半導體國家工程研究中心就開發了許多高指數材料和裝置技術。起初，製造商能夠製造該設備，但在此基礎上很難進行創新。我國認為企業是創新的主體。如果企業只使用科技而不創新，科技再好也無法持續轉化為生產力。目前許多企業的研發投入非常有限，研發投入主要還是取決於國家。

相較之下，英特爾每年在領先半導體公司的研發上花費超過10億美元。中國企業不僅要提升創新能力，還要想辦法加大研發投入。

記者：據了解，對大學和科學研究院的評價主要是透過發表論文來進行評估。這種評估體係可能會導致大學和產業界難以緊密合作。學校和企業在校企聯盟中分別應扮演什麼角色？

郝躍：大學和國家研究機構的研究必須瞄準世界科技前沿。毫無疑問。大學和科學研究院所的任務之一就是探索常規的事物，不斷追求新的事物。不只中國的大學如此，世界各地的大學也是如此。因此，我認為重視發表論文，特別是在學術會議和學術期刊上發表論文是正確的。科學家和科學家應該面向科技前沿，科學家的使命是追求更高的目標。

高校的科學研究成果是否應該快速轉化為現實生產力？我認為確實如此。但如何保證大學的研究成果能轉化為現實生產力呢？現在有一種傾向是教授直接經營公司，我認為這也是值得懷疑的。一個教授能夠同時面對科技前沿和經濟主戰場是非常困難的。

那麼該如何解決這群矛盾呢？我認為，依靠產學研結合，提升企業本身的研發能力，是解決問題的關鍵。因此，如何實現企業作為創新主體，這是我們應該共同努力的事情。

記者：一些國際大公司，如Clarie、英飛凌等，其技術基本上涵蓋了從基板、裝置到應用的全產業鏈。國內企業如果與這類企業競爭，想要在高端領域形成競爭力，該怎麼辦？

郝躍：科瑞公司成立之初是專業做碳化矽半導體材料的公司，完全是做材料的。隨著材料的發展，它開始製造設備、垂直高功率藍色 LED，然後是電子產品。英飛凌一直做的是裝置，而不是材料。只有在各自領域成為世界領導者之後，才逐漸開始向產業鏈上下游發展。

所以對我們企業來說，我的建議是，把能做的做好，做到最好，做到無可挑剔。企業不應該一開始就考慮產業鏈。應該選擇一個領域，把它做到極致，然後再考慮向上游和下游拓展。一開始不可能做到一流的材料和設備。那麼企業的定位是什麼，首先要先明確。

記者：氮化鎵、碳化矽已實現量產。在寬禁帶半導體領域，面向未來的材料有哪些？

郝躍：我認為氧化鎵是最有可能的材料，它的帶隙比氮化鎵和碳化矽更寬，達到4.6~4.8電子伏特。我們目前的研究顯示這種材料很有前途。

未來十年左右，氧化鎵裝置很可能成為有競爭力的電力電子裝置，將與碳化矽元件直接競爭，就像今天的碳化矽和矽功率元件一樣。

氧化鎵目前還沒有，要看後續研究進展。另外，鑽石材料的帶隙為5.4電子伏特。我國這種材料和裝置的研究基礎很好，但這種材料還存在著許多技術困難，產業化難度相當大，這要看未來10年會取得什麼樣的技術突破。可以說，我們一直不懈地努力。

免責聲明：本文轉載自《中國電子報》，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩克威及業界觀點，僅供轉載分享，支持保護知識產權，轉載請註明原創出處及作者，如有侵權，請聯絡我們刪除。