電子發燒友網報道（文/程文智） 在目前的中美貿易摩擦下，電子產業首當其沖，特別是芯片產業，據業內人士透露，現在跟美國的公司交易，周期一般都特別長，而且基本都需要提前付款和面臨各種各樣的審查。如果是跟華為有交易的話，還要求來自美國的技術不能超過25%。這迫使國內很多企業不得不考慮國內的供應鏈企業提供的產品。

在半導體行業方面，根據2018年的統計數據，美國在全球半導體市場占有的份額為48%、韓國為24%、中國出去外資企業的市場份額的話，僅占3%左右的市場份額，當然這兩年這個比例可能有所提升。

即便美國已經占了如此多的市場份額，美國國防部在今年上半年，還調整了其12個重點發展的關鍵技術順序，將微電子技術和5G軍事技術調整到了前兩位。在2019年的時候超高速、飛行器、生物技術排在前幾位。

西安電子科技大學微電子學院副院長、寬禁帶半導體國家工程研究中心馬曉華在中國5G核心元器件創新發展論壇暨2020年匯芯（中國）產業技術發展論壇上分析稱，半導體芯片的博弈是如此的激烈，主要原因是一個技術密集型的企業，不管從材料、制造以及裝備，甚至包括它的管理和運營都是非常專業的一個體系，基本上涵蓋了所有技術，走在最先進的前沿。

根據整個集成電路發展規律，半導體進行已經進入了5納米的技術節點，從常規的二維的器件向三維器件發展。技術節點的發展，帶來了一個很大的挑戰，就是整個加工的能力逐漸集中到極少數的企業。

對于美國來說，這幾年他最大的一個優勢是大量的研發投入，去年整個半導體收入有2260多億美元，有17%的研發投入。正是因為美國的高投入，使得它能在半導體領域長期處于領導地位。不過這幾年來，中國也開始加大了半導體基礎方面的投入，這也是我們目前發展迅速的一個主要原因。

集成電路芯片技術發展趨勢，除了常規的硅基，沿著制程不斷縮小，實際上還有幾個方面的發展趨勢，從材料、器件和功能方面的高度融合，包括提供MEMS技術以及新型材料石墨烯的技術、光電以及通信一體化的芯片技術，甚至包括生物、傳感、有源無源、功率射頻如何融入一體的發展。所以未來的發展除了沿著摩爾定律制程的縮小以外，還有就是多功能的發展，以及個性化從新材料重新發展的體系。

在材料方面，除了硅基，第三代寬禁帶半導體是這幾年的熱門技術，我國除了在硅基方面進行追趕外，在第三代半導體方面也做了很多投入，有了不少的創新研究。

其實，寬禁帶半導體，經過LED照明和Micro LED的技術發展，它的市場已經比較成熟了，現在寬禁帶半導體產業的產能已經有了很大的提升，成本也在逐漸下降。因此，寬禁帶半導體在的電子器件，包括射頻功率器件、汽車雷達、衛星通信，以及5G基站和雷達預警等應用領域開始得到應用。在電力電子方面，尤其是電動汽車應用領域，充電樁和手機充電器將是很大的一塊市場。新能源汽車方面，特斯拉已經將碳化硅器件應用在了Model 3上，后續可能會有跟多的汽車廠商跟進。

在未來的發展，包括未來6G通信，未來定義的業務它的頻段更高，通信的速率更高，這一塊未來主體的材料，硅基器件的性能已經不能滿足要求，這對氮化鎵器件的發展提供了更大的動力。

據馬曉華介紹，西安電子科技大學在2000年初就開始了基于第三代半導體方面的研究。目前他們主要基于兩個平臺：一是寬禁帶半導體器件與集成電路國家工程研究中心；二是兩個國家級的重點實驗室。

“我們在早期圍繞著第三代半導體材料生長設備以及它解決材料生長過程中的一些關鍵技術問題，包括我們器件的設計、最終的應用和它的可靠性分析，整個實驗室是一個非常完整的第三代半導體，材料和芯片研究的體系。目前我們實際上具備了整個小批量，可以實現大功率，或者毫米波芯片的設計和制造能力。”馬曉華表示。

目前，他們主要的研發包括面向高質量外延片的生產，包括基于碳化硅，大儲存的硅寸，以及我們先進的氮化鎵器件制造工藝，基于5G基站用的大功率芯片，以及高頻和超高頻的芯片，包括電源轉換的電力電子芯片。他還透露，“基于應用端我們也有一些功率研究以及MMIC電路的封裝體系，我們也是希望和終端用戶實現未來在芯片實際應用的全路徑的體系。”

從2000年開始，馬曉華他們的團隊分別從設備、材料、芯片以及電路方面進行攻關，并取得了一定的成績，2009年他們的設備獲獎，2015年設計的器件獲獎，2018、2019年在應用放，他們也獲得了國家的科技發明，或者是科技進步獎。

第三代半導體方面的成果

不久前，國家總共投資了4億元來建設寬禁帶半導體器件與集成電路國家工程研究中心，這個工程研究中心不僅僅承載著解決技術的問題，我們還承載著一些對原創性技術，包括我們國家在原創性產業技術上面的布局。目前他們在寬禁帶技術研究方面取得了不少的成果。據馬曉華介紹，目前他們主要取得了以下九個方面的成果。

一是氮化鎵半導體設備。在最開始，馬曉華他們團隊需要解決的是第三代半導體材料生產的設備問題，包括高溫MOCVD，因為在早期，氮化鎵的設備對我國的限制還比較大，但是目前問題已經基本得到了解決。國內這幾年，整個MOCVD設備已經占了國內市場的50%以上。其2007年研發出的620型第三代MOCVD設備還獲得了2009年國家發明二等獎。

二是氮化鎵毫米波功率器件。因為氮化鎵一個很大的優勢，它可以在高頻條件下，實現大的功率輸出。其團隊研發的氮化鎵毫米波功率器件實現了高頻、高效率氮化鎵微波功率器件的核心技術開發，其毫米波段器件和芯片技術指標達到了國際領先水平。馬曉華透露說，目前他們的器件在6GHz頻段能夠滿足5G毫米波的需求。

三是面向5G的C波段高效率氮化鎵器件。該類器件主要是面向基站使用的。目前基于4英寸或者6英寸大功率的氮化鎵基站芯片，主要的應用場景是C波段，它可以實現更高的輸出效率和更高的輸出功率，“目前我們對100瓦基站用的芯片，效率可以到72%，這個效率相對于硅基MOCVD來講，整個技術進展還是蠻快的。”馬曉華指出。

他還進一步指出，對于脈沖方面，如果通過一些斜波的技術處理，他們也可以實現85%的效率，基本上快接近微波的極限效率。

四是低壓氮化鎵HEMT射頻器件。未來氮化鎵器件除了在基站中使用外，能夠在終端上也使用氮化鎵技術呢？這就涉及到了低壓氮化鎵射頻器件的發展了。也就是說要從新的材料體系方面去更新，實現氮化鎵射頻器件在終端上的應用，即在10V以下的工作電壓下，是不是還能實現更高效率跟帶寬的情況，“這塊我們也做了前瞻的研究，在6V的工作條件下，它的效率可以達到65%以上，整個體系基本上已經接近砷化鎵在目前手機中的應用效率。”馬曉華透露。

五是氮化鎵高線性毫米波器件。這類器件主要解決的是快速的壓縮問題。我們現在的通信對于線性主要是通過電路和系統去提升，它犧牲的是效率，馬曉華指出，“我們能否從器件的結構，工作原理中提升它的線性，這個也是未來氮化鎵在5G通信中非常有用的場景。”

六是氮化鎵微波功率芯片。他們團隊在整個S波段以下，未來通信的頻段都有一系列的研究成果。包括未來面向毫米波，在19-23GHz，或者23-25GHz等頻段，即未來5G的毫米波通信芯片方面也做了相關的研究，他透露說，目前他們研發的芯片產品主要是基于氮化鎵低噪運放、驅動功放以及功率放大器等。

七是異質結構新材料與多功能集成器件。未來的器件，除了基于氮化鎵的器件，還有很多基于異質結構，或者多功能的芯片，它的模型基于硅基的氮化鎵，以及硅基CMOS器件異質集成，因為如果采用硅基的話能夠大大降低氮化鎵和砷化鎵銦等芯片成本，實現與CMOS集成、多功能集成，大大降低功耗。“這塊我們也做了一些研究，通過對不同材料的轉移和建核的方法，目前也實現了對硅基材料和氮化鎵材料兩種器件的優勢互補，在未來電力電子這塊，可能它的應用場景比較高。”馬曉華指出。

八是大尺寸硅基氮化鎵射頻技術。如果要大量的展開應用，尤其我們的消費電子類產品，對成本的要求很高。因此，低成本、大尺寸、基于硅基的氮化鎵射頻技術，也是一個需要發展的產業。這些技術的發展，一定會促進氮化鎵在整個產業鏈中的應用，同時也降低了它的應用成本。

九是氮化鎵可靠性機理研究。馬曉華也坦承，雖然第三代半導體的研究取得了一定的成果，但目前還有很多問題需要解決，比如氮化鎵的可靠性和一些機理性問題，還需要企業應用過程中逐步反映到研發機構，他們相互去解決。“目前很多基于氮化鎵機理性的問題，包括它的可靠性方面，我們還有一些機理上不是那么清晰和明確，這一塊可能還需要一段時間，從應用的層面和研究的層面去協同解決”。

結語

對于第三代半導體器件和集成電路未來產業的發展，目前在通信、汽車和智能化未來的應用方面有非常大的潛力。國內目前從事這方面研究的企業和研究機構也很多，我們需要考慮的是如何從全產業鏈方面布局，實現產業化的聚集，從設備、材料，芯片設計制造和封測應用、服務以及人才方面的布局。

第三代半導體是一個很好的產業，也有著很好的機遇，目前正好面臨著通信的高度發展，可以說現在是發展第三代半導體最好的時代。

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