鄭有炓院士：第3世代半導体は新たな発展のチャンスを迎える

同様に、情報技術と電子情報技術産業の発展需要はまた半導体材料と技術の発展を駆動した

第3世代半導体材料及びその応用

第3世代半導体とは、GaN、SiCに代表されるワイドバンド禁止半導体材料1950年代にGe、Siに代表される第1世代半導体、70年代にGaAs、InPに代表される第2世代半導体に続いて90年代に発展した新しい幅の禁帯域半導体材料、すなわち禁帯域幅がSi（1.12 eV）とGaAs（1.43 eV）より明らかに大きい半導体材料であり、通常は禁帯域幅が2 eVより大きい材料。

現在注目されているのは、次の3つの材料です（1） III族窒化物半導体GaN（3.4 eV）、InN（0.7 eV）及びAlN（6.2 eV）及び固溶合金材料、（2）広帯域禁止IV族化合物のSiC（2.4 ~ 3.1 eV）とダイヤモンド薄膜（5.5 eV）材料、（3）広帯域禁止酸化物半導体Zn系酸化物半導体（2.8〜4.0 eV）を含むZnO、ZnMgO、ZnCdO材料及び酸化ガリウム（β−Ga₂O₃4.9 eV）。その中でGaN、SiC材料はすでに多くの産業分野で成功的に応用されている

にある光電子分野GaN、InN、AlN及びその形成された固溶体合金全成分の直接エネルギーギャップの優れた光電特性に基づいて、発展した高効率固体発光光源とソリッドステート紫外線検出素子短波長半導体光電子技術の空白を埋め、白色光照明、超越照明、フルカラーLED表示、固体紫外線探査の新紀元を開き、20年近くの発展を経て、技術は日に日に成熟し、産業は盛んに発展し、巨大な科学的、経済的、社会的利益、2019年の市場規模は6388億元に達した

にある電子分野GaN、SiCの広帯域ギャップ、高電子飽和速度、高破壊電界、高熱伝導率、低誘電率などの優れた材料電子特性に基づいて、高エネルギー効率、低消費電力、高極端性能、耐劣悪環境の次世代マイクロ波無線周波数デバイス（GaN）とパワーエレクトロニクス（SiC、GaN）。

GaN無線周波数デバイスGaAsに比べて、より高い動作電圧、より高い電力、より高い効率、高電力密度、より高い動作温度、およびより高い放射線耐性を有する

パワーエレクトロニクスSiに比べて、より高い動作電圧、高出力密度、高動作周波数、低オン抵抗、極めて低い逆方向ドレイン電流と高温、耐照射特性を有する

新インフラ時代の新たなチャンス

現在、中国は5 G通信、モノのインターネット、ビッグデータ、クラウドコンピューティング、人工知能の実施に力を入れている次世代情報技術及び自動車関連ネットワーク、工商ネットワーク、インテリジェント製造、インテリジェントエネルギー、インテリジェント都市、医療健康、軌道交通などの垂直業界のモデルチェンジとグレードアップ発展の新型インフラ整備（新インフラ建設）、中国経済社会の革新的発展、質の高い発展を推進する

5 G時代の新インフラ需要の牽引役となり、第3世代半導体となったのは、21世紀初頭に世界のエネルギー・環境発展戦略のニーズに応えてLED半導体照明産業を特徴とする発展のチャンスを迎えたのに続き、第3世代半導体電子技術産業を特徴とする新しい発展のチャンス。

第3世代半導体電子技術はエネルギー効率の高い、 低消費電力、 高極性性能と耐劣悪環境の代替不可能性の優位性はマイクロ波無線周波数とパワー電子の2つの分野で5 G情報技術の発展、新インフラストラクチャの実施に対して技術の底からその重要な支持作用を発揮する

むせんしゅうはそし無線周波数技術のコア基礎装置であり、無線周波数電力増幅、 アクティブ無線周波数スイッチとむせんしゅうはでんりょくげん応用の見通しが広い

GaN無線周波数デバイス従来のシリコンと横拡散金属酸化物半導体（Si−LDMOS）は、GaAsデバイスと比較して、より高い動作電圧、より高い電力、より高い効率、高電力密度、より高い動作温度、およびより高い放射線耐性の優位性を支え、新インフラの実施を支え、高次ハイエンドのレーダー、電子対抗、ナビゲーションと空間通信などの軍事電子装備の応用から5 G基地局、モノのインターネット、レーザーレーダー、無人運転自動車ミリ波レーダー、人工知能及び汎用固体無線周波数電力源などの広い民間分野に進出し、巨大な消費電子市場を開拓し、無線周波数技術分野の発展の新たな枠組みを再構築する。

たとえば、GaN無線周波数デバイス5G基地局無線周波数電力増幅器（PA）のコアデバイスを用いて、基地局通信システムが直面する巨大エネルギー消費のボトルネック、誘発GaN無線周波数デバイスの需要は爆発的に増加している

5 Gマクロ基地局は高周波数帯で動作し、損失が大きく、伝送距離が短く、5 G基地局は4 G信号の同じカバー目標を達成するには、4 G基地局の数の3～4倍（中国の現在の4 G基地局445万個）が必要となる。5 G基地局はネットワーク容量を向上させるために大規模アレイアンテナ技術（MIMO）を採用し、64チャネルのMIMOアレイアンテナの単一基地局PAの需要量は200個に近く、それにより5 G基地局の消費電力量は4 Gの3～4倍となり、5 G基地局全体のエネルギー消費量は4 Gの9倍以上になる。

そのため、GaN無線周波数デバイスはその代替不可能性の利点で5 G基地局PAの必然的な選択となり、4 G基地局PAのアップグレードの主流方向でもある。新たなインフラストラクチャの実施は、レーダ分野でGaN無線周波数デバイスを開発するために行われた広範な民間応用シーン。

GaNのミリ波レーダは体積が小さく、軽量で解像度が高く、煙、霧、ほこりを貫通する能力が高く、伝送距離が遠いという特徴例えば、77 GHz周波数帯のGaNミリ波レーダを自動車を自動運転する遠隔検出器として、自動緊急制動、適応巡航、前方衝突警報などのために周辺障害物を正確に感知するために使用する、自動車ネットワーク、モノネットワーク、インテリジェント製造、インテリジェント社会などの多くの分野で広く応用されているプロアクティブセキュリティ分野の機能。

パワーエレクトロニクス素子は電力変換、管理のコアデバイス、デバイスのエネルギー効率は、電子システム、装備、製品のエネルギー消費の高低、体積と品質の大きさ、コストと信頼性の高低、およびスマートモバイル端末の航続能力を決定します

現代の電子システムや装備の電力電子デバイスへの需要はますます高まっており、要求だけでなくより高い電力密度と電力効率の向上また、高極性特性と耐劣悪環境性能従来のSiパワー電子デバイスは変換効率が低く、巨額のエネルギー消費を代価とする必要があり、また、デバイスの性能、例えば遮断電圧、スイッチング周波数、変換効率と信頼性の向上はSi材料の物理的限界に近づいており、厳しい課題に直面している

SiC、GaNパワー電子デバイスはSiデバイスを超える優れた特性を持ち、5 G情報技術の新インフラ分野の新たな需要を満たすことができ、データセンター、無線基地局などの情報インフラストラクチャが直面する巨大なエネルギー消費のボトルネックを解決し、ITモバイルスマート端末の実現を支える小型化、軽量化、航続能力の向上、新エネルギー自動車、スマートエネルギー、軌道交通、スマート製造などを支える新インフラの優位性応用分野の産業発展の切実な需要

SiC、GaNパワー電子デバイスは、材料の電気的性質の違い異なる電力用途の場面に適している：SiC電力デバイスは、新エネルギー自動車およびその充電インフラストラクチャ、新エネルギー電力インバータ装置、スマートエネルギーシステムなど、高圧、大電力の電力管理制御に応用される

試験データによると、新エネルギー自動車にSiCパワーモジュールを採用したインバータはスイッチング損失を75%（チップ温度215℃）低減させ、インバータサイズを43%低下させ、品質を6 kg軽減させ、自動車の連続航続距離を20%増～30%増。

中国は世界最大の新エネルギー車市場、2019年の中国の新エネルギー自動車販売台数は116万台で、世界の54%を占め、自動車用パワーデバイス市場の増分は巨大で、SiCパワー電子デバイスとモジュール産業にもたらした巨大な発展空間GaNパワーデバイスは低電圧、高周波の電力管理制御に応用され、消費系電子分野に対して極めて広い応用将来性を持っている

特に、その動作周波数が高く、動的損失が小さく、導通抵抗が低い、及び耐高温、発熱量が低いという優れた性能に基づいて、スイッチング電源応用、現代の各種消費系電子端末に提供緑の高効率電源装置。

例えば電源アダプタの急速充電電源として、Siデバイスの急速充電が電力を上昇させ、体積を増加させる矛盾を解決し、電源電力の損失とサイズを50%に激減携帯電話の充電時間を短縮し、航続能力を効果的に向上させることができるだけでなく、携帯電話、タブレット、ゲーム機、ARメガネ、VRヘルメットなどのさまざまな実装が期待されている携帯端末の充電の一体化携帯可能なIT端末製品の発展を支え、現在のGaNパワー電子産業の発展の風口となり、2025年までに世界のGaN急速充電製品市場は600億元以上に達すると予想されている

GaNパワーデバイスはSiCに比べてスイッチング速度が速く、オン抵抗が低く、駆動損失が小さく、変換効率が高く、発熱が低く、またSiベースGaNデバイスはコストが低いという利点があるため、GaNパワー電子技術は面積が広いだけでなく消費電子分野、そして新インフラでは様々な中低圧アプリケーションシーンには極めて広範な応用の見通しがある

将来展望

5 G情報技術時代において、第3世代半導体は新たな発展のチャンスを迎え、新たなインフラ建設の実施は第3世代半導体産業の発展が黄金の窓口期に入ることを後押しし、発展の勢いを見せ、徐々に実現する見込みである自主制御可能、安全信頼性の第3世代半導体産業システムと、第1世代、第2世代半導体優位性の相互補完、協同サポート次世代情報技術の革新的発展は、中国の新時期の社会経済の質の高い発展を支えている