中國寬禁帶功率半導體產(chǎn)業(yè)該如何良性發(fā)展？

寬禁帶功率半導體的研發(fā)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(zhuǎn)化能力、優(yōu)良的高頻功率特性、高溫性能穩(wěn)定和低能量損耗等優(yōu)勢，成為支撐信息、能源、交通、先進制造、國防等領(lǐng)域發(fā)展的重點新材料。

推動中國寬禁帶功率半導體產(chǎn)業(yè)，成為發(fā)展建設(shè)綠色節(jié)能社會與智能制造的關(guān)鍵一環(huán)。

近日，由張家港市政府與中國寬禁帶功率半導體及應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦的《中國寬禁帶功率半導體發(fā)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(chǎn)業(yè)從業(yè)者、各方資本提供一份完整的寬禁帶半導體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，作為決策的重要依據(jù)。對于推進我國寬禁帶功率半導體產(chǎn)業(yè)有著重大的意義和深遠影響。

應用需求驅(qū)動，展現(xiàn)良好發(fā)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(zhì)，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(lǐng)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(shù)的可持續(xù)發(fā)展，難以應對能源與環(huán)境面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，業(yè)界迫切需要新一代半導體材料技術(shù)的發(fā)展與支撐。

碳化硅與氮化鎵優(yōu)勢互補。

GaN功率半導體的市場應用領(lǐng)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(nèi)SiC更具優(yōu)勢，兩者的應用領(lǐng)域覆蓋了新能源汽車、光伏、機車牽引、智能電網(wǎng)、節(jié)能家電、通信射頻等大多數(shù)具有廣闊發(fā)展前景的新興應用市場。

支撐未來互聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展，推動綠色節(jié)能技術(shù)勢在必行，寬禁帶功率半導體在這方面有著優(yōu)良的特性和巨大的潛力。據(jù)IDC估計，全球300萬臺數(shù)據(jù)中心每小時耗電量為3000萬千瓦，幾乎等于30座核電站的發(fā)電量。由于電-電轉(zhuǎn)換效率不高，產(chǎn)生龐大熱量，必需冷卻系統(tǒng)維持散熱，還要增加數(shù)據(jù)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(shù)上，而快充技術(shù)的實現(xiàn)就需要用到高壓SiC半導體器件。

未來，在包括車用、輔助設(shè)施、充電樁等整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)，均會成為支撐SiC在中高電壓領(lǐng)域高端應用的重要組成部分。

在射頻通信方面，GaN技術(shù)正助力5G通信的發(fā)展。5G移動通信從人與人通信拓展到萬物互聯(lián)，預計2025年全球?qū)a(chǎn)生1000億個設(shè)備的連接。

5G技術(shù)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(shè)備的互聯(lián)。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(shù)據(jù)顯示，從2018-2022年，全球SiC電力設(shè)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(guī)模165億美元，到2023年將達到224.7億美元。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展不足，中國產(chǎn)業(yè)機會與挑戰(zhàn)并存

雖然我國寬禁帶功率半導體創(chuàng)新發(fā)展的時機已經(jīng)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(yè)面臨的困難仍然很多，一個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與兩個方面有關(guān)：一個是技術(shù)層面，另一個重要問題就是產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境。

在技術(shù)上，寬禁帶功率半導體面臨的技術(shù)難題很多，如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導體產(chǎn)業(yè)化的難度比外界想象的要大很多。

另一個重要問題就是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境的建設(shè)并不完善。5G移動通信、電動汽車等是寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)最具有爆發(fā)性增長潛力的應用領(lǐng)域，國內(nèi)在產(chǎn)業(yè)生態(tài)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(shù)層面的落后程度。產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同不足，尚未解決材料“能用-可用-好用”發(fā)展過程中的問題和障礙。

此外，中國半導體照明/LED產(chǎn)業(yè)與應用聯(lián)盟秘書長關(guān)白玉指出：“寬禁帶功率半導體需要產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈的協(xié)同發(fā)展。”

但是目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新鏈并沒有打通，整體創(chuàng)新環(huán)境較差。

寬禁帶功率半導體涉及多學科、跨領(lǐng)域的技術(shù)和應用，需要聯(lián)合多個領(lǐng)域優(yōu)勢資源，開展多學科、跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新，但研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要昂貴的生長和工藝設(shè)備、高等級的潔凈環(huán)境和先進的測試分析平臺。

目前國內(nèi)從事寬禁帶半導體研發(fā)的研究機構(gòu)、企業(yè)單體規(guī)模小，資金投入有限，研發(fā)創(chuàng)新速度慢，成果轉(zhuǎn)化困難。

加強頂層設(shè)計，助力產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展

正是由于寬禁帶功率半導體產(chǎn)業(yè)具有學科交叉性強、應用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性大等特點，因此要想推進其快速協(xié)同發(fā)展，必須做好頂層設(shè)計，進行統(tǒng)籌安排。

國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》(以下簡稱《規(guī)劃》)，提出發(fā)展新一代信息技術(shù)，發(fā)展微電子和光電子技術(shù)，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(shù)與器件的研發(fā)。《路線圖》的起草將有利于《規(guī)劃》的落實。

通過《路線圖》指明發(fā)展方向與主要的脈絡(luò)，在做好頂層設(shè)計的同時，有利于對產(chǎn)業(yè)進行統(tǒng)籌安排，有利于產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時吸引各方的關(guān)注，有利于新的資金與資源的導入。

專家指出

發(fā)展寬禁帶半導體：

一方面要依靠自主研發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)突破;

另一方面要充分發(fā)揮產(chǎn)學研用相結(jié)合的作用，開展以需求為導向，以市場為目標的研究與開發(fā)，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(fā)及應用，急需引進和培養(yǎng)人才雙管齊下，遴選領(lǐng)軍人才、充實技術(shù)骨干、加快隊伍建設(shè)。