鄭有炓院士：第3世代半導體は新たな発展のチャンスを迎える

鄭有炓、半導體材料とデバイス物理専門家、中國科學院院院士。半導體ヘテロ構造材料とデバイスの物理研究に長く従事し、近年は主に第3世代半導體材料とデバイスの研究に力を入れている。

半導體材料は情報技術の核心基礎材料であり、一代材料、一代技術、一代産業であり、半世紀以上にわたって基礎技術の面から情報技術の天地を覆す変化を支え、電子情報科學技術産業の持続可能な発展を推進してきた。

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體材料と技術の発展を駆動した。

第3世代半導體材料及びその応用

第3世代半導體とは、GaN、SiCに代表される広帯域禁止半導體材料を指し、1950年代にGe、Siに代表される第1世代半導體と70年代にGaAs、InPに代表される第2世代半導體に続いて90年代に発展した新しい広帯域禁止半導體材料である。すなわち、禁止帯域幅がSi（1.12 eV）とGaAs（1.43 eV）より明らかに大きい半導體材料であり、通常は禁止帯域幅が2 eVより大きい材料として定義される。

現在注目されている3種類の材料：（1）III族窒化物半導體はGaN（3.4 eV）、InN（0.7 eV）及びAlN（6.2 eV）及び固溶合金材料を含む、（2）幅禁制帯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體Zn系酸化物半導體（2.8?4.0 eV）のZnO、ZnMgO、ZnCdO材料及び酸化ガリウム（β-Ga2O3，4.9 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。

光電子分野では、GaN、InN、AlN及びその形成された固溶體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、高効率固體発光光源と固體紫外線検出裝置を発展させ、短波長半導體光電子技術の空白を埋め、白色光照明、超照明、フルカラーLED表示と固體紫外線検出の新紀元を開き、20年近くの発展を経て、技術は日々成熟し、産業は盛んに発展し、巨大な科學的、経済的、社會的効果を得て、2019年の市場規模は6388億元に達した。

電子分野では、GaN、SiCの広帯域ギャップ、高電子飽和速度、高破壊電界、高熱伝導率と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、高極端性能と耐劣悪環境の新世代マイクロ波無線周波デバイス（GaN）とパワー電子デバイス（SiC、GaN）を発展させた。

GaN無線周波數デバイスは、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、より高い動作溫度、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デバイスは、Siに比べて、より高い動作電圧、高出力密度、高動作周波數、低オン抵抗、極めて低い逆方向ドレイン電流、および高溫耐性、照射耐性特性を有する。

新インフラ時代の新たなチャンス

現在、中國は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、人工知能の次世代情報技術及びそのベルト動車ネットワーク、工業ネットワーク、知能製造、スマートエネルギー、スマート都市、醫療健康、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ための新型インフラ建設（新インフラ建設）の実施に力を入れており、中國の経済社會の革新的発展、質の高い発展を推進している。

5 G時代の新インフラ需要の牽引は、第3世代半導體が21世紀初頭に世界のエネルギーと環境発展戦略需要に順応してLED半導體照明産業を特徴とする発展チャンスを迎えたのに続き、第3世代半導體電子技術産業を特徴とする新たな発展チャンスを迎えた。

第3世代半導體電子技術は、その高エネルギー効率、低消費電力、高極性性能、耐劣悪環境の代替性の優位性をもって、マイクロ波無線周波數とパワー電子の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。

マイクロ波無線周波數領域

無線周波數デバイスは無線周波數技術の核心基礎デバイスであり、無線周波數電力増幅、能動無線周波數スイッチ及び無線周波數電力源として広い応用の將來性がある。

GaN無線周波數デバイスは従來のシリコン橫拡散金屬酸化物半導體（Si-LDMOS）とGaAsデバイスに比べて、より高い動作電圧、より高い出力、より高効率、高出力密度、より高い動作溫度とより高い放射線耐性の優位性を有し、新しいインフラストラクチャの実施を支持し、高次高次高次のレーダー、電子対抗、ナビゲーションと空間通信などの軍事電子機器の応用から5 G基地局、モノネットワーク、レーザーレーダー、無人運転自動車ミリ波レーダ、人工知能及び汎用固體無線周波數電力源などの広い民間分野は、巨大な消費電子市場を開拓し、無線周波數技術分野の発展の新たな枠組みを再構築することが期待されている。

例えば、GaN無線周波數デバイスは5 G基地局無線周波數電力増幅器（PA）のコアデバイスとして、基地局通信システム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、GaN無線周波數デバイスの需要の爆発的な増加を引き起こした。

5 Gマクロ基地局は高周波數帯で動作し、損失が大きく、伝送距離が短く、5 G基地局は4 G信號の同じカバー目標を達成するには、4 G基地局の數の3～4倍（中國の現在の4 G基地局445萬個）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基地局全體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無線周波數デバイスはその代替不可能性の利點で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。新しいインフラストラクチャの実施は、GaN無線周波數デバイスがレーダー分野で広範な民間応用シーンを開拓したことである。

GaNのミリ波レーダは體積が小さく、品質が軽く、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があり、自動車ネットワーク、モノネットワーク、スマート製造、スマート社會などの多くの分野で広く応用されている。例えば、77 GHz帯のGaNミリ波レーダは自動車を自動運転する遠隔検出器として、周辺障害物を正確に感知し、自動緊急制動、適応巡航、前方衝突アラートなどのアクティブセキュリティ領域の機能。

パワーエレクトロニクス分野

パワーエレクトロニクスデバイスは電気エネルギー変換、管理の核心デバイスであり、デバイスのエネルギー効率は電子システム、裝備と製品のエネルギー消費の高低、體積と品質の大きさ、コストと信頼性の高低、スマートモバイル端末の航続能力を決定した。

現代の電子システムや裝備は、より高い電力密度とより高い電力密度を必要とするだけでなく、電力電子デバイスに対する需要が高まっている