应用需求驱动
展现良好发展前景
以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料具有良好的物理性质, 由于硅(Si)与化合物半导体材料(GaAs, GaP, InP等)在光电子, 电力电子和射频微波等领域器件性能的提升面临瓶颈, 不足以全面支撑新一代信息技术的可持续发展, 难以应对能源与环境面临的严峻挑战, 业界迫切需要新一代半导体材料技术的发展与支撑. 碳化硅与氮化镓优势互补. GaN功率半导体的市场应用领域偏向中低电压范围, 集中在1000V以下, 而1000V以上的中高电压范围内SiC更具优势, 两者的应用领域覆盖了新能源汽车, 光伏, 机车牵引, 智能电网, 节能家电, 通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场. 中国科学院院士, 南京大学教授郑有炓指出, 支撑未来互联网的可持续发展, 推动绿色节能技术势在必行, 宽禁带功率半导体在这方面有着优良的特性和巨大的潜力. 据IDC估计, 全球300万台数据中心每小时耗电量为3000万千瓦, 几乎等于30座核电站的发电量. 由于电-电转换效率不高, 产生庞大热量, 必需冷却系统维持散热, 还要增加数据中心的能耗.
在新能源汽车方面, 去年我国新能源汽车销量约为80万辆, 今年预计会超过100万辆. 新能源汽车存在的核心困难是充电速率过慢, 主流的研究热点集中在快速充电技术上, 而快充技术的实现就需要用到高压SiC半导体器件. 未来, 在包括车用, 辅助设施, 充电桩等整个新能源汽车产业, 均会成为支撑SiC在中高电压领域高端应用的重要组成部分.
在射频通信方面, GaN技术正助力5G通信的发展. 5G移动通信从人与人通信拓展到万物互联, 预计2025年全球将产生1000亿个设备的连接. 5G技术不仅需要超带宽, 更需要高速接入, 低接入时延, 低功耗和高可靠性, 以支持海量设备的互联. 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.
数据显示, 从2018年—2022年, 全球SiC电力设备市场将以35.73%的年复合增长率增长. 2016年全球GaN器件市场规模165亿美元, 到2023年将达到224.7亿美元.
产业生态发展不足
中国产业机会与挑战并存
虽然我国宽禁带功率半导体创新发展的时机已经逐步成熟, 处于重要窗口期. 然而本次终审会上与会专家认为, 目前行业面临的困难仍然很多, 一个产业的发展与两方面有关: 一个是技术层面, 另一个是产业生态环境.
在技术上, 宽禁带功率半导体面临的技术难题很多, 如衬底材料的完整性, 外延层及欧姆接触的质量, 工艺稳定性, 器件可靠性以及成本控制等, 宽禁带功率半导体产业化的难度比外界想象的要大很多. 另一个重要方面是产业发展的生态环境建设并不完善. 5G移动通信, 电动汽车等是宽禁带半导体产业最具有爆发性增长潜力的应用领域, 国内在产业生态的成熟度上与国外的差距还比较明显, 落后程度更甚于技术层面的落后程度. 产业链上下游协同不足, 尚未解决材料 '能用—可用—好用' 发展过程中的问题.
此外, 中国半导体照明/LED产业与应用联盟秘书长关白玉指出: '宽禁带功率半导体需要产业链, 创新链的协同发展. ' 但是目前国内产业的创新链并没有打通, 整体创新环境较差.
宽禁带功率半导体涉及多学科, 跨领域的技术和应用, 需要联合多个领域优势资源, 开展多学科, 跨领域的集成创新, 但研发和产业化需要昂贵的生长和工艺设备, 高等级的洁净环境和先进的测试分析平台. 目前, 国内从事宽禁带半导体研发的研究机构, 企业单体规模小, 资金投入有限, 研发创新速度慢, 成果转化困难.
加强顶层设计
助力产业协同发展
正是由于宽禁带功率半导体产业具有学科交叉性强, 应用领域广, 产业关联性大等特点, 因此, 要想推进其快速协同发展, 必须做好顶层设计, 进行统筹安排. 国务院印发的《 '十三五' 国家科技创新规划》(以下简称《规划》)提出, 发展新一代信息技术, 发展微电子和光电子技术, 重点加强极低功耗芯片, 新型传感器, 宽禁带半导体芯片和硅基光电子, 混合光电子, 微波光电子等技术与器件的研发. 《路线图》的起草将有利于《规划》的落实. 通过《路线图》指明发展方向与主要的脉络, 在做好顶层设计的同时, 有利于对产业进行统筹安排, 有利于产业的协调发展, 同时吸引各方关注, 有利于新的资金与资源的导入.
专家指出, 发展宽禁带半导体, 一方面, 要依靠自主研发, 实现技术突破;另一方面, 要充分发挥产学研用相结合的作用, 开展以需求为导向, 以市场为目标的研究与开发, 做到克服瓶颈, 解决难题, 进入市场, 用于实际. 此外, 加强宽禁带半导体材料研发及应用, 急需引进和培养人才双管齐下, 遴选领军人才, 充实技术骨干, 加快队伍建设.