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在全球低碳節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料憑借其高效率、高密度、高可靠等優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。

第三代半導(dǎo)體材料優(yōu)勢(shì)明顯

一般來(lái)說，芯片可以分為計(jì)算芯片、存儲(chǔ)芯片、傳感芯片、通信芯片、功率芯片、信息處理芯片和光電芯片等幾大類。其中，功率芯片作為用電裝備和系統(tǒng)中的核心芯片，其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的處理、轉(zhuǎn)換和控制，管理著全球超過50%的電能資源，廣泛用于智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、軌道交通、可再生能源開發(fā)、工業(yè)電機(jī)、數(shù)據(jù)中心、家用電器、移動(dòng)電子設(shè)備等國(guó)家經(jīng)濟(jì)與國(guó)民生活的方方面面，是我國(guó)工業(yè)體系中不可或缺的一類核心芯片，在全球低碳節(jié)能環(huán)保的進(jìn)程中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。

現(xiàn)有的功率芯片大多基于硅半導(dǎo)體材料，由于材料物理性能的限制，芯片的能效和性能已逐漸接近其極限，難以滿足迅速增長(zhǎng)和變化的電能應(yīng)用的新需求。以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料(有時(shí)亦被稱為第三代半導(dǎo)體材料)由于禁帶寬度顯著高于硅材料的1.1eV，有著高耐電場(chǎng)和高耐受溫度的特點(diǎn)，基于這些材料的功率芯片也因此表現(xiàn)出以下幾方面巨大的優(yōu)勢(shì)：高效率，相同芯片面積的導(dǎo)通損耗比硅基器件低近千倍(在相同的電壓/電流等級(jí));高密度，開關(guān)頻率是硅器件的幾十倍，可以大大減小電能轉(zhuǎn)換電路中儲(chǔ)能元件的體積，從而成倍地減小設(shè)備體積;高可靠，理論上可以在600℃以上的高溫環(huán)境下工作，并有抗輻射的優(yōu)勢(shì)，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

因此，寬禁帶半導(dǎo)體功率芯片在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值，其中，碳化硅功率芯片被公認(rèn)為在中等以上功率應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過近30年的研究和開發(fā)，碳化硅材料和功率芯片技術(shù)在近年開始成熟，并快速地被推廣應(yīng)用，正在掀起一場(chǎng)節(jié)能減排和新能源領(lǐng)域的巨大變革，在電動(dòng)汽車、新能源并網(wǎng)、高效信息電源以及家用電器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)紛紛重點(diǎn)部署市場(chǎng)，全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級(jí)已經(jīng)開始。

高質(zhì)量大尺寸是碳化硅材料發(fā)展方向

碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體功率芯片的產(chǎn)業(yè)鏈包括碳化硅材料、芯片、封裝測(cè)試、系統(tǒng)應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)。其中，高質(zhì)量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，增大晶圓尺寸、降低缺陷密度和成本是其主要發(fā)展方向。

國(guó)際上碳化硅單晶材料以6英寸為主流，并開始實(shí)現(xiàn)8英寸晶圓的批量生產(chǎn);在我國(guó)則以4英寸晶圓為主流，6英寸晶圓實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。在芯片方面，德國(guó)英飛凌(Infineon)公司和美國(guó)科銳(Cree)公司早在2001年就發(fā)布了碳化硅功率二極管產(chǎn)品，而由于碳化硅晶體管技術(shù)難度大，直到2010和2011年，才由日本羅姆(Rohm)公司和美國(guó)Cree公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。SiC二極管和晶體管(以MOSFET為主)由于其性能優(yōu)越，成為目前產(chǎn)業(yè)化成熟度最高、最受歡迎的碳化硅功率芯片，其市場(chǎng)以每2~3年翻一番的速度迅速成長(zhǎng)。目前，國(guó)際上主要的碳化硅功率芯片公司有美國(guó)Wolfspeed(Cree公司的子公司)、德國(guó)英飛凌、日本羅姆、歐洲的意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)、日本三菱，這五家公司占據(jù)了全球市場(chǎng)的約90%。

由于其用于電能變換的特點(diǎn)，功率芯片和計(jì)算、存儲(chǔ)等芯片在技術(shù)層面上存在著顯著的不同，其主要技術(shù)難點(diǎn)和進(jìn)步并不依賴于日益精細(xì)的工藝線寬，它主要依靠單晶襯底和外延材料的技術(shù)水平、芯片研發(fā)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，以及和應(yīng)用環(huán)節(jié)的緊密配合。根據(jù)法國(guó)市場(chǎng)調(diào)研Yole公司的預(yù)測(cè)，2020年碳化硅功率芯片的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到35億元人民幣，并以超過40%的年復(fù)合增長(zhǎng)率繼續(xù)快速增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2030年，全球碳化硅功率芯片市場(chǎng)規(guī)模將超過500億元人民幣，并拉動(dòng)十倍甚至幾十倍規(guī)模的裝備和終端市場(chǎng)。

我國(guó)碳化硅材料和芯片期待產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

在國(guó)內(nèi)，“十二五”初期，我國(guó)開始布局碳化硅功率半導(dǎo)體芯片的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的突破。“十三五”期間，我國(guó)掀起了碳化硅功率半導(dǎo)體材料和芯片產(chǎn)業(yè)化的浪潮。近年來(lái)，在各級(jí)政府、各類企業(yè)、科研院所、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等的共同努力下，我國(guó)在碳化硅功率半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域取得了初步成效，形成了一定的技術(shù)積累。目前，我國(guó)的碳化硅功率芯片產(chǎn)品以二極管產(chǎn)品為主，在晶體管方面，若干單位具備一定的產(chǎn)品開發(fā)能力，正在進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的初期。在國(guó)家科技項(xiàng)目和各級(jí)政府的支持下，目前國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)和平臺(tái)正在建設(shè)或已建成多條4~6英寸碳化硅芯片工藝線，這些工藝線的投產(chǎn)，將會(huì)大大提升國(guó)內(nèi)碳化硅功率芯片的產(chǎn)業(yè)化水平。

在取得快速進(jìn)展的同時(shí)，由于起步較晚，我國(guó)當(dāng)前的碳化硅產(chǎn)業(yè)和國(guó)際上依然存在較大的差距。為了更快更好地發(fā)展我國(guó)碳化硅材料和芯片產(chǎn)業(yè)，可以從以下幾個(gè)方面著力推進(jìn)：

一是組織制定中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。碳化硅材料和功率芯片技術(shù)的發(fā)展依然需要依靠國(guó)家大力支持，只有這樣，才能在落后國(guó)際先進(jìn)水平的情況下奮起直追，打造獨(dú)立自主、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈。建議根據(jù)國(guó)情和市場(chǎng)需求，編制“中國(guó)碳化硅材料和器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃”，對(duì)碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)行有規(guī)劃、分層次、穩(wěn)定的支持。

二是形成以企業(yè)為創(chuàng)新主體的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)。我國(guó)碳化硅功率芯片產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚未形成。為應(yīng)對(duì)國(guó)際市場(chǎng)日益嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)壓力，我國(guó)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中應(yīng)以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，以盡快形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，以企業(yè)為創(chuàng)新主體，加快制定產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)地域效應(yīng)和集群效應(yīng)，盡快實(shí)現(xiàn)碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

三是構(gòu)建“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展體系。我國(guó)碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須堅(jiān)持自主創(chuàng)新、“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合。目前亟須集中力量、突出重點(diǎn)，發(fā)揮科研院所的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)攻堅(jiān)和高端人才培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，并使之與企業(yè)緊密結(jié)合，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不斷提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力，打造一支支撐技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才隊(duì)伍。建議在以企業(yè)為創(chuàng)新主體的同時(shí)，打造公共創(chuàng)新平臺(tái)，促進(jìn)科研院所和企業(yè)相結(jié)合的創(chuàng)新機(jī)制，加快碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

四是建設(shè)上下游緊密溝通和合作的完整產(chǎn)業(yè)鏈。國(guó)內(nèi)已有一批碳化硅單晶襯底材料、外延材料、器件設(shè)計(jì)和制造工藝的企事業(yè)單位，但離形成完整產(chǎn)業(yè)鏈尚有較大差距。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，以及材料、芯片質(zhì)量評(píng)價(jià)和性能驗(yàn)證是環(huán)環(huán)相扣、互相推動(dòng)的統(tǒng)一整體。我國(guó)在產(chǎn)業(yè)鏈上的最大優(yōu)勢(shì)是擁有巨大的市場(chǎng)和強(qiáng)勁的應(yīng)用需求，建議在政策引導(dǎo)下，充分發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)，以市場(chǎng)需求拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上游各環(huán)節(jié)，引導(dǎo)各環(huán)節(jié)間實(shí)現(xiàn)資源共享、互相促進(jìn)，形成一個(gè)布局合理、結(jié)構(gòu)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

五是充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟作用。建議充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的橋梁和紐帶作用，向政府建言獻(xiàn)策、為企業(yè)出謀劃策，一方面向政府反映企業(yè)訴求，優(yōu)化政府政策;另一方面向企業(yè)傳達(dá)政府政策，指導(dǎo)企業(yè)科學(xué)發(fā)展和自主創(chuàng)新，有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳化硅材料和芯片產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

我國(guó)碳化硅功率芯片的市場(chǎng)約占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)的40%~50%。通過有效的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃、政府和企業(yè)界的持續(xù)投入、下游市場(chǎng)的有效拉動(dòng)和產(chǎn)學(xué)研用的緊密配合，我國(guó)的碳化硅材料和芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化水平有望在未來(lái)短時(shí)間內(nèi)得到迅速發(fā)展，并在不遠(yuǎn)的將來(lái)邁入國(guó)際先進(jìn)行列。

來(lái)源：中國(guó)電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)