半导体

节能减排热潮倒逼碳化硅材料和芯片产业化

作者:来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2019-09-29 21:55我要评论

在全球低碳节能环保的大环境下,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料凭借其高效率、高密度、高可靠等优势,发挥出越来越重要的作用。

第三代半导体材料优势明显

一般来说,芯片可以分为计算芯片、存储芯片、传感芯片、通信芯片、功率芯片、信息处理芯片和光电芯片等几大类。其中,功率芯片作为用电装备和系统中的核心芯片,其作用是实现对电能的处理、转换和控制,管理着全球超过50%的电能资源,广泛用于智能电网、电动汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面,是我国工业体系中不可或缺的一类核心芯片,在全球低碳节能环保的进程中也发挥着举足轻重的作用。

现有的功率芯片大多基于硅半导体材料,由于材料物理性能的限制,芯片的能效和性能已逐渐接近其极限,难以满足迅速增长和变化的电能应用的新需求。以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料(有时亦被称为第三代半导体材料)由于禁带宽度显著高于硅材料的1.1eV,有着高耐电场和高耐受温度的特点,基于这些材料的功率芯片也因此表现出以下几方面巨大的优势:高效率,相同芯片面积的导通损耗比硅基器件低近千倍(在相同的电压/电流等级);高密度,开关频率是硅器件的几十倍,可以大大减小电能转换电路中储能元件的体积,从而成倍地减小设备体积;高可靠,理论上可以在600℃以上的高温环境下工作,并有抗辐射的优势,可以大大提高系统的可靠性。

因此,宽禁带半导体功率芯片在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值,其中,碳化硅功率芯片被公认为在中等以上功率应用中具有明显的优势。经过近30年的研究和开发,碳化硅材料和功率芯片技术在近年开始成熟,并快速地被推广应用,正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革,在电动汽车、新能源并网、高效信息电源以及家用电器等领域发挥重要作用。国际领先企业纷纷重点部署市场,全球新一轮的产业升级已经开始。

高质量大尺寸是碳化硅材料发展方向

碳化硅宽禁带半导体功率芯片的产业链包括碳化硅材料、芯片、封装测试、系统应用四个环节。其中,高质量、大尺寸的碳化硅单晶材料是碳化硅技术发展的基础,增大晶圆尺寸、降低缺陷密度和成本是其主要发展方向。

国际上碳化硅单晶材料以6英寸为主流,并开始实现8英寸晶圆的批量生产;在我国则以4英寸晶圆为主流,6英寸晶圆实现小批量生产。在芯片方面,德国英飞凌(Infineon)公司和美国科锐(Cree)公司早在2001年就发布了碳化硅功率二极管产品,而由于碳化硅晶体管技术难度大,直到2010和2011年,才由日本罗姆(Rohm)公司和美国Cree公司实现量产。SiC二极管和晶体管(以MOSFET为主)由于其性能优越,成为目前产业化成熟度最高、最受欢迎的碳化硅功率芯片,其市场以每2~3年翻一番的速度迅速成长。目前,国际上主要的碳化硅功率芯片公司有美国Wolfspeed(Cree公司的子公司)、德国英飞凌、日本罗姆、欧洲的意法半导体(STMicroelectronics)、日本三菱,这五家公司占据了全球市场的约90%。

由于其用于电能变换的特点,功率芯片和计算、存储等芯片在技术层面上存在着显著的不同,其主要技术难点和进步并不依赖于日益精细的工艺线宽,它主要依靠单晶衬底和外延材料的技术水平、芯片研发和生产的经验,以及和应用环节的紧密配合。根据法国市场调研Yole公司的预测,2020年碳化硅功率芯片的市场规模将达到35亿元人民币,并以超过40%的年复合增长率继续快速增长。预计到2030年,全球碳化硅功率芯片市场规模将超过500亿元人民币,并拉动十倍甚至几十倍规模的装备和终端市场。

我国碳化硅材料和芯片期待产业化发展

在国内,“十二五”初期,我国开始布局碳化硅功率半导体芯片的研发,实现了从无到有的突破。“十三五”期间,我国掀起了碳化硅功率半导体材料和芯片产业化的浪潮。近年来,在各级政府、各类企业、科研院所、产业联盟等的共同努力下,我国在碳化硅功率半导体芯片领域取得了初步成效,形成了一定的技术积累。目前,我国的碳化硅功率芯片产品以二极管产品为主,在晶体管方面,若干单位具备一定的产品开发能力,正在进入实现产业化的初期。在国家科技项目和各级政府的支持下,目前国内有多家企业和平台正在建设或已建成多条4~6英寸碳化硅芯片工艺线,这些工艺线的投产,将会大大提升国内碳化硅功率芯片的产业化水平。

在取得快速进展的同时,由于起步较晚,我国当前的碳化硅产业和国际上依然存在较大的差距。为了更快更好地发展我国碳化硅材料和芯片产业,可以从以下几个方面着力推进:

一是组织制定中长期发展规划。碳化硅材料和功率芯片技术的发展依然需要依靠国家大力支持,只有这样,才能在落后国际先进水平的情况下奋起直追,打造独立自主、具有国际竞争力的碳化硅产业链。建议根据国情和市场需求,编制“中国碳化硅材料和器件产业发展中长期规划”,对碳化硅材料和功率芯片产业进行有规划、分层次、稳定的支持。

二是形成以企业为创新主体的规模化产业。我国碳化硅功率芯片产业还处于发展初期,产业规模尚未形成。为应对国际市场日益严峻的竞争压力,我国在产业发展过程中应以应用需求为导向,以尽快形成规模化产业为目标,以企业为创新主体,加快制定产业标准,发挥产业地域效应和集群效应,尽快实现碳化硅材料和功率芯片产业规模化发展。

三是构建“产学研用”结合的协同创新发展体系。我国碳化硅材料和功率芯片产业发展必须坚持自主创新、“产学研用”相结合。目前亟须集中力量、突出重点,发挥科研院所的基础技术研发、关键技术攻坚和高端人才培养的优势,并使之与企业紧密结合,形成自主知识产权,不断提高产业技术水平和竞争力,打造一支支撑技术和产业发展的人才队伍。建议在以企业为创新主体的同时,打造公共创新平台,促进科研院所和企业相结合的创新机制,加快碳化硅材料和功率芯片产业化进程。

四是建设上下游紧密沟通和合作的完整产业链。国内已有一批碳化硅单晶衬底材料、外延材料、器件设计和制造工艺的企事业单位,但离形成完整产业链尚有较大差距。产业链各环节,以及材料、芯片质量评价和性能验证是环环相扣、互相推动的统一整体。我国在产业链上的最大优势是拥有巨大的市场和强劲的应用需求,建议在政策引导下,充分发挥这一优势,以市场需求拉动产业链上游各环节,引导各环节间实现资源共享、互相促进,形成一个布局合理、结构完整的产业链。

五是充分发挥行业协会和产业联盟作用。建议充分发挥行业协会和产业联盟的桥梁和纽带作用,向政府建言献策、为企业出谋划策,一方面向政府反映企业诉求,优化政府政策;另一方面向企业传达政府政策,指导企业科学发展和自主创新,有效进行结构调整,实现我国碳化硅材料和芯片产业的可持续发展。

我国碳化硅功率芯片的市场约占据国际市场的40%~50%。通过有效的中长期发展规划、政府和企业界的持续投入、下游市场的有效拉动和产学研用的紧密配合,我国的碳化硅材料和芯片技术与产业化水平有望在未来短时间内得到迅速发展,并在不远的将来迈入国际先进行列。

浙江大学电气工程学院 盛况 任娜 郭清 杨树


责任编辑:马利亚
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