如何發展中國寬禁帶功率半導體產業?專家支招...

2018-08-30 來源:中國電子報 我要評論(0) 字號:

寬禁帶功率半導體的研發與應用日益受到重視,其中碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)以高效的光電轉化能力、優良的高頻功率特性、高溫性能穩定和低能量損耗等優勢,成為支撐信息、能源、交通、先進制造、國防等領域發展的重點新材料。

推動中國寬禁帶功率半導體產業,成為發展建設綠色節能社會與智能制造的關鍵一環。

近日,由張家港市政府與中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟主辦的《中國寬禁帶功率半導體發展路線圖》(以下簡稱《路線圖》)終審會召開。

這項工作的開展將為我國政府部門、產業從業者、各方資本提供一份完整的寬禁帶半導體技術和產業發展路線圖,作為決策的重要依據。對于推進我國寬禁帶功率半導體產業有著重大的意義和深遠影響。

應用需求驅動,展現良好發展前景

以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料具有良好的物理性質,隨著硅(Si)與化合物半導體材料(GaAs、GaP、InP等)在光電子、電力電子和射頻微波等領域器件性能的提升面臨瓶頸,不足以全面支撐新一代信息技術的可持續發展,難以應對能源與環境面臨的嚴峻挑戰,業界迫切需要新一代半導體材料技術的發展與支撐。

碳化硅與氮化鎵優勢互補。

GaN功率半導體的市場應用領域偏向中低電壓范圍,集中在1000V以下,而1000V以上的中高電壓范圍內SiC更具優勢,兩者的應用領域覆蓋了新能源汽車、光伏、機車牽引、智能電網、節能家電、通信射頻等大多數具有廣闊發展前景的新興應用市場。

支撐未來互聯網的可持續發展,推動綠色節能技術勢在必行,寬禁帶功率半導體在這方面有著優良的特性和巨大的潛力。據IDC估計,全球300萬臺數據中心每小時耗電量為3000萬千瓦,幾乎等于30座核電站的發電量。由于電-電轉換效率不高,產生龐大熱量,必需冷卻系統維持散熱,還要增加數據中心的能耗。

--中國科學院院士、南京大學教授鄭有炓指出

在新能源汽車方面,去年我國新能源汽車銷量約為80萬輛,今年預計會超過100萬輛。新能源汽車存在的核心困難是充電速率過慢,主流的研究熱點集中在快速充電技術上,而快充技術的實現就需要用到高壓SiC半導體器件。

未來,在包括車用、輔助設施、充電樁等整個新能源汽車產業,均會成為支撐SiC在中高電壓領域高端應用的重要組成部分。

在射頻通信方面,GaN技術正助力5G通信的發展。5G移動通信從人與人通信拓展到萬物互聯,預計2025年全球將產生1000億個設備的連接。

5G技術不僅需要超帶寬,更需要高速接入,低接入時延,低功耗和高可靠性,以支持海量設備的互聯。GaN功率器件可以提供更高的功率密度、更高效率和更低功耗。

數據顯示,從2018-2022年,全球SiC電力設備市場將以35.73%的年復合增長率增長。2016年全球GaN器件市場規模165億美元,到2023年將達到224.7億美元。

產業生態發展不足,中國產業機會與挑戰并存

雖然我國寬禁帶功率半導體創新發展的時機已經逐步成熟,處于重要窗口期。然而本次終審會上的與會專家認為,目前行業面臨的困難仍然很多,一個產業的發展與兩個方面有關:一個是技術層面,另一個重要問題就是產業的生態環境。

在技術上,寬禁帶功率半導體面臨的技術難題很多,如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質量、工藝穩定性、器件可靠性以及成本控制等,寬禁帶功率半導體產業化的難度比外界想象的要大很多。

另一個重要問題就是產業發展的生態環境的建設并不完善。5G移動通信、電動汽車等是寬禁帶半導體產業最具有爆發性增長潛力的應用領域,國內在產業生態的成熟度上與國外的差距還比較明顯,落后程度更甚于技術層面的落后程度。產業鏈上下游協同不足,尚未解決材料“能用-可用-好用”發展過程中的問題和障礙。

此外,中國半導體照明/LED產業與應用聯盟秘書長關白玉指出:“寬禁帶功率半導體需要產業鏈、創新鏈的協同發展。”

但是目前國內產業的創新鏈并沒有打通,整體創新環境較差。

寬禁帶功率半導體涉及多學科、跨領域的技術和應用,需要聯合多個領域優勢資源,開展多學科、跨領域的集成創新,但研發和產業化需要昂貴的生長和工藝設備、高等級的潔凈環境和先進的測試分析平臺。

目前國內從事寬禁帶半導體研發的研究機構、企業單體規模小,資金投入有限,研發創新速度慢,成果轉化困難。

加強頂層設計,助力產業協同發展

正是由于寬禁帶功率半導體產業具有學科交叉性強、應用領域廣、產業關聯性大等特點,因此要想推進其快速協同發展,必須做好頂層設計,進行統籌安排。

國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》(以下簡稱《規劃》),提出發展新一代信息技術,發展微電子和光電子技術,重點加強極低功耗芯片、新型傳感器、寬禁帶半導體芯片和硅基光電子、混合光電子、微波光電子等技術與器件的研發。《路線圖》的起草將有利于《規劃》的落實。

通過《路線圖》指明發展方向與主要的脈絡,在做好頂層設計的同時,有利于對產業進行統籌安排,有利于產業的協調發展,同時吸引各方的關注,有利于新的資金與資源的導入。

專家指出

發展寬禁帶半導體:

一方面要依靠自主研發,實現技術突破;

另一方面要充分發揮產學研用相結合的作用,開展以需求為導向,以市場為目標的研究與開發,做到克服瓶頸、解決難題、進入市場、用于實際。

此外,加強寬禁帶半導體材料研發及應用,急需引進和培養人才雙管齊下,遴選領軍人才、充實技術骨干、加快隊伍建設。

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