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美國對中國半導體產業的「極限打擊」，在此一情勢下，中國半導體產業的發展，或許要全面建立自己的底層邏輯、架構以及體系。總體而言，半導體的各個環節，中國都需要樹立自立自強的思維。這其中，材料是基礎。第三代半導體材料當是中國可以加強突破的一個關鍵。正所謂材料是一切技術的基礎，「一代材料、一代技術、一代產業」。
前不久，南京大學電子科學與工程學院副院長劉斌教授在對外演講中詳解了第三代半導體材料的特性、產業應用以及發展前景。精華內容分享如下：
一代材料一代產業
從半導體產業發展的歷程來看，從上世紀四、五十年代，從鍺硅到集成電路，包括晶體管以及硅晶，逐步形成上千億乃至上萬億規模的產業。這是第一代半導體材料；上世紀六七十年代，III-V族化合物半導體興起，即是以砷化鉀、磷化銦為代表的第二代半導體材料，主要應用於射頻電子、紅外激光器等半導體元器件，整體推動了通訊產業的變革。
當前，已是第三代半導體材料，起源於上世紀八九十年代，主要是以氮化鉀、碳化硅為代表的寬禁帶半導體，以及氧化鉀、金剛石等超寬禁帶半導體。根據材料特性優勢，應用於射頻電子、電力電子、固態化工元器件、以及顯示等產業。以第三代半導體材料製成的元器件，正在推動照明、顯示、5G通訊，其它功率電子領域產業的發展。
總體上，第三代半導體材料，主要以下特徵：高功效。比如功率器件里高能量的光效。LED，已經替代了原來的白熾燈和日光燈，它主要體現了高光效的特點。另外，就是全光譜。氮化鎵、碳化硅等，在寬禁帶環境下，覆蓋了較寬的光的波段，並形成全光譜的發射與探測。在功率電子方面，寬禁帶半導體，由於優異的性質，有高功率、高耐壓以及耐高頻等特性，可以在更高的純度上以及更高的溫度下展開工作。因此，第三代半導體材料就其特性而言，主要用於功率電子、光電子、射頻電子三大領域，成為新的半導體產業，正在崛起和突破。
第三代半導體材料的具體應用
第三代半導體技術也是當前全球高技術競爭的重要領域：2004年美國最早啟動了基於第三代半導體的計劃，2009年，歐盟把第三代半導體作為研發的重點。中國製造2025以及第「十四個五年規劃」和2035年遠景目標綱要，都強調了第三代寬禁帶半導體的發展。至於美國，為了打壓中國的科技發展，近期，其商務部又新增四項出口限制的禁令，除EDA設計軟件外，也限制金剛石、氧化劑等超寬禁帶半導體等四項材料對中國的出口。此外，3300伏以上超高耐壓的功率器件，西方國家對中國也是嚴格禁運的，具體說來，由於第三代半導體主要應用於功率芯片、射頻芯片、光電芯片、顯示芯片、傳感芯片等領域，涉及到的產業有半導體照明、新型顯示、新一代5G通訊、新能源汽車、軌道交通，以及雷達等產業領域，這些應用對我國的產業升級以及節能減排，國家安全等有重要的戰略意義。
其一、射頻電子領域：這是支撐新一代移動通訊技術的核心器件。過去通訊射頻都是砷化鎵，隨着通訊從5G走向6G，第三代半導體是唯一可選擇的半導體材料。因此，目前在互聯網、5G/人工智能等方面的應用，華為、中興等通訊企業，都在推動高頻電子器件的產業發展。
其二、新能源汽車、高鐵領域：基於碳化硅的功率器件，也是升級換代必須的一個器件和材料應用。在高速軌道交通中，以基於碳化硅的功率模塊去替代，可以使體積減少20%，重量降低20%，能耗也可以降低20%。
其三、照明和顯示領域：第三代半導體LED的照明產業，是我們國家的重要產業。基於氮化鎵的照明技術，在中國已經極具規模。通過LED照明，我們國家實現2000億度的節電量，極大地助益了節能減排。當前，重點圍繞氮化鎵LED，向近紅外、紫外波長和更短波長的波段去拓展以及應用，到2026年，紫外LED的市場規模可以達到百億。
其四、軍用領域：射頻功率器件是雷達共振的基礎，要實現超遠距離的軍事偵察，包括電子干擾和對抗等，特別是在毫米波、超大功率器件的發展上，必須應用氮化鎵這樣新一代的雷達。美國薩德已在更換氮化鎵功率器件，可以增加探測的距離，距離達到3000公里。
所以，總體來說，第三代半導體是我們國家新器件的關鍵技術之一。在5G通訊、人工智能、元宇宙、數據中心、軌道交通等都有着廣泛的應用。另外，在節能減排方面，中國在2030年要達到碳峰值，2060年要實現碳中和，而第三代半導體，在節約能效上也是大有可為，特別是對將來的基礎設施，數據中心以及5G基站方面建設的能效上，都會有大的提升。
第三代半導體在中國的發展趨勢
至於第三代半導體在中國的發展，從碳化硅，氮化鎵的應用規模上，到2025年，總體會有大幅度的提升。從第三代半導體創新鏈和產業鏈來看，主要還是材料方面，襯底到外延，再到設計、芯片、封裝，應用，從技術鏈和創新鏈來看，襯底、外延、芯片是三個環節，是最為突出的。當前，碳化硅還是主要向大尺寸走，現在4英寸的碳化硅，已經逐步退出市場，當前主要是6英寸。氮化鎵主流產品為2英寸，未來三至五年，將是4英寸的襯底，逐步佔據主流。
劉斌院長簡介：現任南京大學電子學院教授、博導，入選教育部長江學者特聘教授、青年長江學者、國家優青，兼任南京大學國家級集成電路產教融合創新平台，教育部光電芯片工程中心副主任，中國光電子行業協會等Micro-LED顯示器件專委會委員。主要研究領域為III族氮化物半導體材料與器件，Micro-LED新型顯示技術，近年專註於氮化鎵基Micro-LED材料生長、器件製備與機理研究，與華為、天馬微電子等龍頭企業合作開發高密度車載用Micro-LED芯片，量子點集成全色Micro-LED器件。主持國家重點研發專項項目與課題，國家自然科學基金委面上項目，江蘇省前沿引領技術項目等12項，參加國家自然科學基金創新群體項目，科技部「973」、「863」計劃等項目，成果發表於Nature Nanotechnology、IEEE EDL/T-ED/PTL等學術期刊，共計發表論文180餘篇，申請/授權發明專利60餘項，其中9項專利轉讓/許可，參編專著5部/章節;獲教育部高校自然科學一等獎，技術發明一等獎，中國產學研合作一等獎及個人創新獎。
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