由第三代半導體電力電子技術路線圖引發的思考

作者: 伊人影院科技集團 / 時間: 2019-05-20 11:01:34
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原標題:由第三代半導體電力電子技術路線圖引發的思考

【文/ 微信公眾號“半導體行業觀察” 張健】

7月31日,國內首個《第三代半導體電力電子技術路線圖》正式發布。該路線圖是由第三代半導體產業技術創新戰略聯盟組織國內外眾多大學、科研院所、優勢企業的知名院士、學者和專家,曆時1年多共同編寫而成。

據悉,《第三代半導體電力電子技術路線圖》圍繞電力電子方向,主要從襯底/外延/器件、封裝/模塊、SiC應用、GaN應用等四個方麵展開論述,新比特幣風險大嗎,提出了中國發展第三代半導體電力電子技術的路徑建議和對未來產業發展的預測。

半導體產業進入第三個階段

半導體產業發展至今經曆了三個階段,第一代半導體材料以矽(Si)為代表,以砷化镓(GaAs)為代表的第二代半導體材料和以氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)等寬禁帶為代表的第三代半導體材料。相較前兩代產品,第三代半導體的性能優勢非常顯著且受到業內廣泛好評。

以GaN、SiC為代表的第三代半導體材料最大的優點在於能夠適應高壓,高頻和高溫的極端環境,性能大幅提升。由於SiC和GaN的禁帶寬度遠大於Si和GaAs,相應的本征載流子濃度小於Si和GaAs,寬禁帶半導體的最高工作溫度要高於第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大於Si和GaAs。因此,它們是5G時代基站建設的理想材料。

電力電子應用

當今,許多公司都在研發SiC MOSFET,領先企業包括美國科銳(Cree)旗下的Wolfspeed、德國的SiCrystal、日本的羅姆(ROHM)、新日鐵等。而進入GaN市場中的玩家較少,起步也較晚。

SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成,市場規模約在2.1億~2.4億美金之間。而據Yole最新預測,SiC市場規模在2021年將上漲到5.5億美金,這期間的複合年均增長率預計將達19%。

全球已有超過30家公司在電力電子領域擁有SiC、GaN相關產品的生產、設計、製造和銷售能力。2016年SiC無論在襯底材料、器件還是在應用方麵,均有很大進展,已經開發出耐壓水平超過20KV的IGBT樣片。

各國的發展策略

美、日、歐等國都在積極進行第三代半導體材料的戰略部署,其中的重點是SiC。作為電力電子器件,SiC在低壓領域如高端的白色家電、電動汽車等由於成本因素,逐漸失去了競爭力。但在高壓領域,如高速列車、風力發電以及智能電網等,SiC具有不可替代性的優勢。

美國等發達國家為了搶占第三代半導體技術的戰略製高點,通過國家級創新中心、協同創新中心、聯合研發等形式,將企業、高校、研究機構及相關政府部門等有機地聯合在一起,實現第三代半導體技術的加速進步,引領、加速並搶占全球第三代半導體市場。

例如,美國國家宇航局(NASA)、國防部先進研究計劃署(DARPA)等機構通過研發資助、購買訂單等方式,開展SiC、GaN研發、生產與器件研製;韓國方麵,在政府相關機構主導下,重點圍繞高純SiC粉末製備、高純SiC多晶陶瓷、高質量SiC單晶生長、高質量SiC外延材料生長這4個方麵,開展研發項目。在功率器件方麵,韓國還啟動了功率電子的國家項目,重點圍繞Si基GaN和SiC。

發達國家第三代半導體材料政策如下圖所示:

由第三代半導體電力電子技術路線圖引發的思考

資料來源:CASA整理

可見,全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大,居於領導地位,占有全球SiC產量的70%~80%;歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈,在全球電力電子市場擁有強大的話語權;日本則是設備和模塊開發方麵的絕對領先者。

中國由於在LED方麵已經接近國際先進水平,為第三代半導體在其它方麵的技術研發和產業應用打下了一定的基礎。

中國發展狀況

中國開展SiC、GaN材料和器件方麵的研究工作比較晚,與國外相比水平較低,阻礙國內第三代半導體研究進展的重要因素是原始創新問題。國內新材料領域的科研院所和相關生產企業大都急功近利,難以容忍長期“隻投入,不產出”的現狀。因此,以第三代半導體材料為代表的新材料原始創新舉步維艱。

雖然落後,我國也在積極推進,國家和各地方政府陸續推出政策和產業扶持基金發展第三代半導體相關產業:地方政策在2016年大量出台,福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區出台第三代半導體相關政策(不包括LED)近30條。一方麵,多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關規劃,另一方麵,不少地方政府有針對性對當地具有一定優勢的SiC和GaN材料企業進行扶持。

據CASA統計,2017年我國第三代半導體整體產值約為6578億(包括照明),同比增長25.83%。其中電力電子產值規模接近10億元,較上年增長10倍以上。

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