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, 由於矽(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資訊技術的可持續發展, 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. 碳化矽與氮化鎵優勢互補. GaN功率半導體的市場應用領域偏向中低電壓範圍, 集中在1000V以下, 而1000V以上的中高電壓範圍內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. 中國科學院院士, 南京大學教授鄭有炓指出, 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300萬台數據中心每小時耗電量為3000萬千瓦, 幾乎等於30座核電站的發電量. 由於電-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.
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技術不僅需要超頻寬, 更需要高速接入, 低接入時延, 低功耗和高可靠性, 以支援海量設備的互聯. 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年—2022年, 全球SiC電力設備市場將以35.73%的年複合增長率增長. 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並存
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, 處於重要窗口期. 然而本次終審會上與會專家認為, 目前行業面臨的困難仍然很多, 一個產業的發展與兩方面有關: 一個是技術層面, 另一個是產業生態環境.
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. 另一個重要方面是產業發展的生態環境建設並不完善. 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, 落後程度更甚於技術層面的落後程度. 產業鏈上下遊協同不足, 尚未解決材料 '能用—可用—好用' 發展過程中的問題.
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並沒有打通, 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, 跨領域的整合創新, 但研發和產業化需要昂貴的生長和工藝設備, 高等級的潔淨環境和先進的測試分析平台. 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
正是由於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. 國務院印發的《 '十三五' 國家科技創新規劃》(以下簡稱《規劃》)提出, 發展新一代資訊技術, 發展微電子和光電子技術, 重點加強極低功耗晶片, 新型感測器, 寬禁帶半導體晶片和矽基光電子, 混合光電子, 微波光電子等技術與器件的研發. 《路線圖》的起草將有利於《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, 有利於對產業進行統籌安排, 有利於產業的協調發展, 同時吸引各方關注, 有利於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, 用於實際. 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, 充實技術骨幹, 加快隊伍建設.