《電子技術(shù)應(yīng)用》
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CMRS2018:未來(lái),,碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展將呈爆發(fā)態(tài)勢(shì)!

2018-09-28
關(guān)鍵詞: CMRS 碳化硅 半導(dǎo)體

   2018年7月14日,,2018中國(guó)材料大會(huì)(CMRS)各分會(huì)場(chǎng)會(huì)議交流繼續(xù)進(jìn)行,。本次大會(huì)共設(shè)35個(gè)分會(huì)場(chǎng),儀器信息網(wǎng)編輯走入D11.半導(dǎo)體材料與器件分會(huì)場(chǎng),,為讀者帶來(lái)有關(guān)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的一場(chǎng)報(bào)告,。該報(bào)告是由中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長(zhǎng)陸敏帶來(lái)的《碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)》。報(bào)告詳述了碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料在國(guó)內(nèi)外不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì),,以及介紹了中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的一些工作,,提出了我國(guó)在該領(lǐng)域所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn),,引發(fā)了廣大半導(dǎo)體從業(yè)者的討論和深思。

  

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  中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長(zhǎng) 陸敏

  碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料在軍用,、民用領(lǐng)域的核心應(yīng)用

  碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用主要分布在,,電力電子器件,新能源汽車,,光伏,,機(jī)車牽引,以及微波通訊器件等領(lǐng)域,。

  在微電子領(lǐng)域,,碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)在于可與氮化鎵半導(dǎo)體互補(bǔ),氮化鎵半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)應(yīng)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,則是碳化硅的天下,。1200V以上的碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域有新能源汽車,,光伏,機(jī)車牽引,,智能電網(wǎng)等,,高鐵機(jī)車的牽引電壓在6500V以上,地鐵則一般在3300V左右,。

  我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)正不斷蓬勃發(fā)展,去年的銷量約在80萬(wàn)輛,,今年預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)100萬(wàn)輛,。推廣新能源汽車最主要的目的是降低CO2的排放。迄今為止,,日本豐田公司推出的油電混合動(dòng)力汽車已銷售超過(guò)1100萬(wàn)輛,,共計(jì)約減少7700萬(wàn)噸CO2的排放。目前,,主流發(fā)達(dá)國(guó)家都在推廣這類新能源汽車,。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)也制定了新能源汽車的發(fā)展計(jì)劃,每五年的銷量應(yīng)有成倍的上升,。未來(lái),,在包括車用,輔助設(shè)施,,充電樁等的整個(gè)新能源汽車產(chǎn)業(yè),,均會(huì)成為支撐碳化硅在中高電壓領(lǐng)域高端應(yīng)用的重要組成部分。新能源汽車目前存在的核心困難是充電速率過(guò)慢,,主流的研究熱點(diǎn)集中在快速充電技術(shù),,而快充技術(shù)的實(shí)現(xiàn)就需要用到高壓碳化硅半導(dǎo)體器件,。電動(dòng)汽車主要有三大部件:一是電池,二是電機(jī)控制部分,,三是電機(jī),。從電池到電機(jī)的驅(qū)動(dòng),中間很重要的銜接環(huán)節(jié)就是電機(jī)控制部分,,它需要專門器件碳化硅MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)去轉(zhuǎn)換,。豐田的凱美瑞車型就使用了碳化硅半導(dǎo)體模塊,核心器件均為碳化硅半導(dǎo)體材料制備,。特斯拉的Model 3型汽車車,,也全部使用了碳化硅半導(dǎo)體模塊,每輛車會(huì)用到24個(gè)碳化硅模組,,現(xiàn)今在道路上行駛的Model 3車輛中該碳化硅模塊的數(shù)量約為100萬(wàn),。

  碳化硅半導(dǎo)體在軍事、航天上也有許多應(yīng)用,,不管是電力電子,,還是微波設(shè)備,在軍工領(lǐng)域均有大量應(yīng)用,。微波器件領(lǐng)域是整個(gè)碳化硅器件應(yīng)用的一個(gè)細(xì)分市場(chǎng),。微波通訊在軍用領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用是相陣控雷達(dá),像美國(guó)的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī),,已經(jīng)裝備了碳化硅襯底外延氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管);還有地基導(dǎo)彈系統(tǒng),,像薩德系統(tǒng)中的核心器件就是碳化硅襯底外延氮化鎵的HEMT,美軍已基本全面裝備使用,,而我國(guó)仍未完全立項(xiàng),,不過(guò)相信出于戰(zhàn)略上的考慮也會(huì)加快推進(jìn)實(shí)行。軍事應(yīng)用是由于戰(zhàn)略的需求,,但該領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模應(yīng)該不會(huì)太大,。射頻微波領(lǐng)域?qū)?yīng)于民用就是通訊領(lǐng)域,也是整個(gè)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用增長(zhǎng)的關(guān)鍵領(lǐng)域,。2018年6月,,首個(gè)完整版全球統(tǒng)一5G標(biāo)準(zhǔn)正式出爐,相信5G通訊的應(yīng)用,,也會(huì)大大推動(dòng)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程,。

  光伏領(lǐng)域是目前碳化硅器件最大的應(yīng)用市場(chǎng),之后是新能源汽車領(lǐng)域,,應(yīng)會(huì)逐漸超過(guò)光伏領(lǐng)域,。

  其他的應(yīng)用方向像LED產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,是非常大的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,,專利主要是被美國(guó)的科銳公司所控制,。

  在對(duì)2017年國(guó)內(nèi)碳化硅第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的統(tǒng)計(jì)中,,襯底約有1.65億元,外延,、器件,、裝置的總產(chǎn)值依次升高,分別達(dá)2.76億元,、6.92億元,、28.98億元??傮w來(lái)看,,微波射頻應(yīng)用的產(chǎn)值相較電子電力應(yīng)用占多數(shù),其產(chǎn)量高,,產(chǎn)值大的原因是軍事上應(yīng)用的微波器件,。由于軍方應(yīng)用額度畢竟有限,而民間應(yīng)用市場(chǎng)將會(huì)更大,,因在2018年產(chǎn)值統(tǒng)計(jì)的結(jié)果和態(tài)勢(shì)會(huì)有明顯變化,。相信2018年電力電子領(lǐng)域會(huì)出現(xiàn)更多的應(yīng)用和更大的拓展。

  根據(jù)美國(guó)YOLE公司的統(tǒng)計(jì),,2015年電子電力器件用導(dǎo)電型碳化硅襯底約有12萬(wàn)片,,預(yù)計(jì)到2021年,會(huì)達(dá)到約40萬(wàn)片,。美國(guó)科銳公司是全球最大的碳化硅襯底企業(yè),,擁有1000多臺(tái)半導(dǎo)體晶體爐,一臺(tái)的產(chǎn)能約為每年500~1000片,,全年可生產(chǎn)約100萬(wàn)片,,考慮成品率,一年的成品約為幾十萬(wàn)片,,可由此推算出市場(chǎng)的大致規(guī)模。國(guó)內(nèi)所有的半導(dǎo)體晶體爐約二三百臺(tái),,在世界范圍所占比例較低,。

  國(guó)內(nèi)外第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策情況

  我國(guó)的“中國(guó)制造2025”計(jì)劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。特別設(shè)立的國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組有兩位第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的專家,,由此可見(jiàn)國(guó)家對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相當(dāng)重視,。北京也有對(duì)于第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策,北京目前定位為全國(guó)科技創(chuàng)新中心,,該職能的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)一些產(chǎn)業(yè)的支撐,,北京現(xiàn)正在大力扶持高精尖產(chǎn)業(yè),第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也是其中很重要的一項(xiàng),。希望未來(lái)能見(jiàn)到其他各省市都會(huì)出臺(tái)類似政策,,來(lái)推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展,。

  國(guó)際上也有類似政策,美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬主導(dǎo)成立第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,,歐洲的Smart PM(Smart Powe Management)組織,,日本的“首相戰(zhàn)略”等,均瞄準(zhǔn)并投入巨資推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研究與發(fā)展,。大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已在國(guó)內(nèi)外達(dá)成共識(shí),,不僅停留在產(chǎn)業(yè)研究的初期,更呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)爆發(fā)態(tài)勢(shì),。

  面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

  一個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與兩個(gè)方面有關(guān):一個(gè)是技術(shù)層面,,另一個(gè)重要問(wèn)題就是產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境。為建立這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境,,中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟應(yīng)運(yùn)而生,。標(biāo)準(zhǔn)是彼此之間溝通的平臺(tái),產(chǎn)業(yè)環(huán)境問(wèn)題的核心是搭建一個(gè)成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系,,產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等均是支撐產(chǎn)業(yè)份額擴(kuò)大不可或缺的要素。

  世界有兩大類標(biāo)準(zhǔn)體系:一類是政府類的標(biāo)準(zhǔn),,例如世界三大標(biāo)準(zhǔn)化組織,,ISO、IEC,、ITU,,這些是美國(guó)推行的標(biāo)準(zhǔn)體系;還有一類是以市場(chǎng)為主體,來(lái)源于實(shí)體的一些標(biāo)準(zhǔn),,例如企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),。國(guó)際上常見(jiàn)的IEEE,semi,,Bluetooth,,中關(guān)村標(biāo)準(zhǔn)等,均是團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),,但它同樣擔(dān)當(dāng)著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的作用,。這類標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上更有生命力和市場(chǎng),因?yàn)樗钱a(chǎn)業(yè)一線從業(yè)者制定的標(biāo)準(zhǔn),。

  《中國(guó)人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化法》不久前通過(guò)了修訂,,在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)體系中,原先只有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),,地方標(biāo)準(zhǔn),,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),新的標(biāo)準(zhǔn)化法特別提出了團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn),。團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)需要產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,,社會(huì)團(tuán)體等一些非營(yíng)利性團(tuán)體來(lái)制定,。中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟目前也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)認(rèn)定的團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)制定單位,目前也在做一些工作來(lái)幫助這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,,以使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)制定方面有更多的機(jī)會(huì),。

  迄今為止, 在碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域,,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)共有16項(xiàng),,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于該行業(yè)的發(fā)展,,這對(duì)整個(gè)市場(chǎng)的秩序及行業(yè)的發(fā)展是很不利的,因此標(biāo)準(zhǔn)化制定這項(xiàng)工作大有可為,。這16項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基本均發(fā)布于近幾年,,所以近年來(lái)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陸續(xù)發(fā)展了起來(lái)。硅材料,,是一個(gè)比較成熟的材料體系,,與硅材料相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)約有二百余項(xiàng),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),,制定的時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)三四十年。因此碳化硅與硅材料領(lǐng)域相比,,標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)產(chǎn)業(yè)的支撐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,,這對(duì)以聯(lián)盟為依托的行業(yè)及企業(yè)而言,是一個(gè)難得的機(jī)遇,。

  制定標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于是制定市場(chǎng)規(guī)則,,制定市場(chǎng)規(guī)則相當(dāng)于在市場(chǎng)上會(huì)擁有更好的話語(yǔ)權(quán)和引導(dǎo)力。通過(guò)這一機(jī)遇,,可以依托產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,、或其他社會(huì)團(tuán)體,來(lái)健全第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)體系,,以更好地支持這個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展,,提升國(guó)家在該領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)是全球最大的市場(chǎng),,但問(wèn)題的核心在于市場(chǎng)上出售誰(shuí)家的產(chǎn)品,因此擁有更大的話語(yǔ)權(quán)是十分重要的,,制定標(biāo)準(zhǔn)就是制定話語(yǔ)權(quán),。


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