随着IC晶体管密度越来越接近物理极限，仅通过改进制造工艺来提高IC性能变得越来越困难。 围绕后摩尔时代IC产业如何发展，世界各国都在积极寻找新技术、新方法、新路径。 为进一步推动后摩尔时代的技术创新，加快我国集成电路产业发展，中国半导体行业协会与中国电子报社联合推出《院士谈后摩尔时代的技术演进》系列报道时代》，将采访相关领域院士，共同探讨后摩尔时代半导体产业的发展方向。

目前，国内外正在布局宽带隙半导体（又称第三代半导体）器件和材料产业。宽禁带半导体产业为何赢得市场青睐？申请过程中有哪些特点、难点和痛点？未来相关产业应该朝什么方向发展？郝跃就宽带隙半导体产业当前存在的问题、发展困难以及未来发展方向分享了自己的看法。

记者：首先请您简单介绍一下宽带半导体的情况。这种半导体有什么特点，在行业中有哪些应用？

郝跃：宽带隙半导体最明显的特点是禁带宽度宽，在材料特性上更接近绝缘体。因此，以氮化镓和碳化硅为代表的这类宽带隙半导体材料，具有击穿电场强度高、工作温度高、器件导通电阻低、电子密度高等优点，目前宽带隙半导体主要在三个领域具有较强的市场竞争力。

首先是射频器件，即微波毫米波器件。与砷化镓、硅等半导体材料相比，微波毫米波段宽禁带半导体器件的工作效率和输出功率显着提高，适用于射频功率器件。民用射频器件主要应用于移动通信，包括未来的4G、5G和6G通信。例如，我国新安装的4G、5G移动通信基站几乎全部采用氮化镓器件。特别是，5G基站采用MIMO收发系统。每个基站发射和接收64个信道，其功耗是4G基站的三倍以上。而且该基站的密度比4G基站还要高，因此几乎不可能采用高效氮化镓器件。未来6G通信频率将会更高，基站数量也将更加突出。

二是大功率电力电子器件。快速充电装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车、充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。毫无疑问，宽禁带半导体，特别是碳化硅、氮化镓比其他半导体材料具有更明显的优势。

三是光电器件。宽带隙半导体尤其在短波长光电器件方面具有明显的优势。例如，蓝光现在所有半导体照明都使用氮化镓。在紫光、紫外光甚至黄光、绿光下都可以直接用作氮化物半导体材料。

当然还有其他的应用领域，比如探测器、传感器等等，应用非常广泛。

注：根据数据显示，宽带隙半导体器件的市场规模自2017年以来呈现出非常明显的上升趋势。在您看来，宽带隙半导体有潜力成为后摩尔时代的颠覆性技术吗？它们将在多大程度上取代硅？

郝跃：后摩尔时代，硅集成电路芯片在集成度和功耗方面面临巨大挑战，这使得摩尔定律的芯片集成度每18个月减慢一次。因此，人们寻求新的解决方案，包括硅3D集成电路和系统芯片的新解决方案。系统芯片也被称为超越摩尔定律，是指硅集成电路不断扩展，与其他材料或应用领域集成，开拓新的应用市场。

我认为硅集成电路与其他类型的半导体高度集成，比如化合物半导体和硅器件，在硅衬底上生长化合物，这是后摩尔时代一个非常有趣、非常有前途的领域。也是未来宽带隙半导体器件和集成电路发展的重要方向。

然而，宽带隙半导体材料不可能取代硅。 90%以上的集成电路仍然采用硅基半导体，以及主要由硅制成的太阳能电池。宽禁带半导体器件和集成电路在全球半导体市场中仅占据较小份额，主要应用于高功率射频器件、电力电子器件和短波长光电器件。硅仍然是占主导地位的半导体材料。由于硅材料难以在高频下发光和提高输出功率，宽带半导体具有独立的发展空间和巨大的应用市场。

记者：我国宽禁带半导体材料与器件向产业推广过程中还存在哪些困难，造成这些困难的原因是什么，如何解决？

郝跃：目前，中国半导体产业面临“瓶颈”问题，主要表现在关键设备和材料上。但在宽禁带半导体设备方面，目前我们在大部分领域都实现了国产化，从材料生长、器件和电路工艺到测试封装设备，国产基本可以满足需求。只有光刻技术仍未解决。事实上，氮化镓等宽带隙半导体所需的光刻工艺并不需要非常先进。 90纳米的光刻精度就足够了。在国家相关政策的支持下，我们可以实现这一技术。目前已经研发成功的光刻机应该尽快实现稳定量产，我们还需要在这方面做出努力。我们能做好可以产业化的东西，我们一定要做到。

记者：有厂家表示，目前在很多前沿领域，国产半导体器件产量还不能满足要求（比如器件效率），为什么？如何解决这些问题呢？

郝跃：高导热率和低损耗是宽带半导体的固有优势。问题是我们在产品开发中没有充分利用这些优势。例如，氮化镓在4GHz频率输出100W功率时，器件效率可以达到70%以上。对于其他材料，能达到50%就不错了，高效率是由材料的性质决定的。无论是氮化镓还是碳化硅，宽带隙半导体效率都非常高。但在器件的后续应用中，保证每一步材料的低损耗非常重要。

以碳化硅器件为例，生产完成后的封装，目前我们的器件封装基本未能实现，根据器件特性和应该做的，仍然采用大功率器件的硅片封装模式，从而增加了损耗，对宽禁带半导体的高效率和低损耗的封装来说，基本没有影响。这只是一个例子，我认为在技术采用方面还有很多事情可以做。

记者：如果宽带隙半导体技术进一步普及，能否满足电子器件高性能、耐高温、长寿命的高端要求？

郝跃：我觉得可以彻底解决。因为在宽禁带半导体方面，我们的器件开发技术和指标基本与国际同步，甚至有些指标是领先的。问题是这些技术从研发到生产的速度有多快。目前，国内很多厂商本身并没有研发能力，基本是走主义。比如我们西安电子科技大学宽带隙半导体国家工程研究中心就开发了很多高指数材料和器件技术。起初，制造商能够制造该设备，但在此基础上很难进行创新。我国认为企业是创新的主体。如果企业只使用技术而不创新，技术再好也无法持续转化为生产力。目前很多企业的研发投入非常有限，研发投入主要还是取决于国家。

相比之下，英特尔每年在领先半导体公司的研发上花费超过10亿美元。中国企业不仅要提高创新能力，还要想方设法加大研发投入。

记者：据了解，对高校和科研院所的评价主要是通过发表论文来进行评价。这种评价体系可能会导致大学和产业界难以紧密合作。学校和企业在校企联盟中分别应扮演什么角色？

郝跃：大学和国家研究机构的研究必须瞄准世界科技前沿。毫无疑问。大学和科研院所的任务之一就是探索常规的事物，不断追求新的事物。不仅中国的大学如此，世界各地的大学也是如此。因此，我认为重视发表论文，特别是在学术会议和学术期刊上发表论文是正确的。科学家和科学家应该面向科技前沿，科学家的使命是追求更高的目标。

高校的科研成果是否应该快速转化为现实生产力？我认为确实如此。但如何保证高校的研究成果能够转化为现实生产力呢？现在有一种倾向是教授直接经营公司，我认为这也是值得怀疑的。一个教授能够同时面对科技前沿和经济主战场是非常困难的。

那么如何解决这群矛盾呢？我认为，依靠产学研结合，提高企业自身的研发能力，是解决问题的关键。因此，如何实现企业作为创新主体，这是我们应该共同努力的事情。

记者：一些国际大公司，比如Clarie、英飞凌等，其技术基本上覆盖了从基板、器件到应用的全产业链。国内企业如果与此类企业竞争，想要在高端领域形成竞争力，该怎么办？

郝跃：科瑞公司成立之初是专业做碳化硅半导体材料的公司，完全是做材料的。随着材料的发展，它开始制造设备、垂直高功率蓝色 LED，然后是电子产品。英飞凌一直做的是器件，而不是材料。只有在各自领域成为世界领先者之后，才逐渐开始向产业链上下游发展。

所以对于我们企业来说，我的建议是，把能做的做好，做到最好，做到无可挑剔。企业不应该一开始就考虑产业链。应该选择一个领域，把它做到极致，然后再考虑向上游和下游拓展。一开始不可能做到一流的材料和设备。那么企业的定位是什么，首先要明确。

记者：氮化镓、碳化硅已实现量产。在宽禁带半导体领域，面向未来的材料有哪些？

郝跃：我认为氧化镓是最有可能的材料，它的带隙比氮化镓和碳化硅更宽，达到4.6~4.8电子伏特。我们目前的研究表明这种材料很有前途。

未来十年左右，氧化镓器件很可能成为有竞争力的电力电子器件，将与碳化硅器件直接竞争，就像今天的碳化硅和硅功率器件一样。

氧化镓目前还没有，要看后续研究进展。另外，金刚石材料的带隙为5.4电子伏特。我国这种材料和器件的研究基础很好，但这种材料还存在很多技术难点，产业化难度相当大，这要看未来10年会取得什么样的技术突破。年。可以说，我们一直在不懈地努力。

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