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新闻动态 / NEWS INFORMATION
由第三代半导体电力电子技术路线图引发的思考
来源:港华电力半导体 | 作者:港华 | 发布时间: 2019-04-26 | 299 次浏览 | 分享到:
国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布。该路线图是由第三代半导体产业技术创新战略联盟组织国内外众多大学、科研院所、优势企业的知名院士、学者和专家,历时1年多共同编写而成。

据悉,《第三代半导体电力电子技术路线图》围绕电力电子方向,主要从衬底/外延/器件、封装/模块、SiC应用、GaN应用等四个方面展开论述,提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测。

半导体产业进入第三个阶段

      半导体产业发展至今经历了三个阶段,第一代半导体材料以硅(Si)为代表,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料和以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等宽禁带为代表的第三代半导体材料。相较前两代产品,第三代半导体的性能优势非常显著且受到业内广泛好评。

      以GaN、SiC为代表的第三代半导体材料最大的优点在于能够适应高压,高频和高温的极端环境,性能大幅提升。由于SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs,相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs,宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于Si和GaAs。因此,它们是5G时代基站建设的理想材料。

电力电子应用

    当今,许多公司都在研发SiC MOSFET,领先企业包括美国科锐(Cree)旗下的Wolfspeed、德国的SiCrystal、日本的罗姆(ROHM)、新日铁等。而进入GaN市场中的玩家较少,起步也较晚。

    SiC的电力电子器件市场在2016年正式形成,市场规模约在2.1亿~2.4亿美金之间。而据Yole最新预测,SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金,这期间的复合年均增长率预计将达19%。

    全球已有超过30家公司在电力电子领域拥有SiC、GaN相关产品的生产、设计、制造和销售能力。2016年SiC无论在衬底材料、器件还是在应用方面,均有很大进展,已经开发出耐压水平超过20KV的IGBT样片。

国的发展策略
 
    美、日、欧等国都在积极进行第三代半导体材料的战略部署,其中的重点是SiC。作为电力电子器件,SiC在低压领域如高端的白色家电、电动汽车等由于成本因素,逐渐失去了竞争力。但在高压领域,如高速列车、风力发电以及智能电网等,SiC具有不可替代性的优势。

    美国等发达国家为了抢占第三代半导体技术的战略制高点,通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式,将企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联合在一起,实现第三代半导体技术的加速进步,引领、加速并抢占全球第三代半导体市场。

    例如,美国国家宇航局(NASA)、国防部先进研究计划署(DARPA)等机构通过研发资助、购买订单等方式,开展SiC、GaN研发、生产与器件研制;韩国方面,在政府相关机构主导下,重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长这4个方面,开展研发项目。在功率器件方面,韩国还启动了功率电子的国家项目,重点围绕Si基GaN和SiC。

    可见,全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,居于领导地位,占有全球SiC产量的70%~80%;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。

    中国由于在LED方面已经接近国际先进水平,为第三代半导体在其它方面的技术研发和产业应用打下了一定的基础。

中国发展状况

    中国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低,阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利,难以容忍长期“只投入,不产出”的现状。因此,以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。

    虽然落后,我国也在积极推进,国家和各地方政府陆续推出政策和产业扶持基金发展第三代半导体相关产业:地方政策在2016年大量出台,福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策(不包括LED)近30条。一方面,多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划,另一方面,不少地方政府有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。