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宽禁带功率半导体的研发与应用日益受到重视,其中碳化硅(sic)和氮化镓(gan)以高效的光电转化能力、优良的高频功率特性、高温性能稳定和低能量损耗等优势,成为支撑信息、能源、交通、先进制造、国防等领域发展的重点新材料。

推动中国宽禁带功率半导体产业,成为发展建设绿色节能社会与智能制造的关键一环。

近日,由张家港市政府与中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟主办的《中国宽禁带功率半导体发展路线图》(以下简称《路线图》)终审会召开。

这项工作的开展将为我国政府部门、产业从业者、各方资本提供一份完整的宽禁带半导体技术和产业发展路线图,作为决策的重要依据。对于推进我国宽禁带功率半导体产业有着重大的意义和深远影响。

应用需求驱动,展现良好发展前景

以sic和gan为代表的宽禁带半导体材料具有良好的物理性质,随着硅(si)与化合物半导体材料(gaas、gap、inp等)在光电子、电力电子和射频微波等领域器件性能的提升面临瓶颈,不足以全面支撑新一代信息技术的可持续发展,难以应对能源与环境面临的严峻挑战,业界迫切需要新一代半导体材料技术的发展与支撑。

碳化硅与氮化镓优势互补。

gan功率半导体的市场应用领域偏向中低电压范围,集中在1000v以下,而1000v以上的中高电压范围内sic更具优势,两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。

支撑未来互联网的可持续发展,推动绿色节能技术势在必行,宽禁带功率半导体在这方面有着优良的特性和巨大的潜力。据idc估计,全球300万台数据中心每小时耗电量为3000万千瓦,几乎等于30座核电站的发电量。由于电-电转换效率不高,产生庞大热量,必需冷却系统维持散热,还要增加数据中心的能耗。

——中国科学院院士、南京大学教授郑有炓指出

在新能源汽车方面,去年我国新能源汽车销量约为80万辆,今年预计会超过100万辆。新能源汽车存在的核心困难是充电速率过慢,主流的研究热点集中在快速充电技术上,而快充技术的实现就需要用到高压sic半导体器件。

未来,在包括车用、辅助设施、充电桩等整个新能源汽车产业,均会成为支撑sic在中高电压领域高端应用的重要组成部分。

在射频通信方面,gan技术正助力5g通信的发展。5g移动通信从人与人通信拓展到万物互联,预计2025年全球将产生1000亿个设备的连接。

5g技术不仅需要超带宽,更需要高速接入,低接入时延,低功耗和高可靠性,以支持海量设备的互联。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。

数据显示,从2018-2022年,全球sic电力设备市场将以35.73%的年复合增长率增长。2016年全球gan器件市场规模165亿美元,到2023年将达到224.7亿美元。

产业生态发展不足,中国产业机会与挑战并存

虽然我国宽禁带功率半导体创新发展的时机已经逐步成熟,处于重要窗口期。然而本次终审会上的与会专家认为,目前行业面临的困难仍然很多,一个产业的发展与两个方面有关:一个是技术层面,另一个重要问题就是产业的生态环境。

在技术上,宽禁带功率半导体面临的技术难题很多,如衬底材料的完整性、外延层及欧姆接触的质量、工艺稳定性、器件可靠性以及成本控制等,宽禁带功率半导体产业化的难度比外界想象的要大很多。

另一个重要问题就是产业发展的生态环境的建设并不完善。5g移动通信、电动汽车等是宽禁带半导体产业最具有爆发性增长潜力的应用领域,国内在产业生态的成熟度上与国外的差距还比较明显,落后程度更甚于技术层面的落后程度。产业链上下游协同不足,尚未解决材料“能用-可用-好用”发展过程中的问题和障碍。

此外,中国半导体照明/led产业与应用联盟秘书长关白玉指出:“宽禁带功率半导体需要产业链、创新链的协同发展。”

但是目前国内产业的创新链并没有打通,整体创新环境较差。

宽禁带功率半导体涉及多学科、跨领域的技术和应用,需要联合多个领域优势资源,开展多学科、跨领域的集成创新,但研发和产业化需要昂贵的生长和工艺设备、高等级的洁净环境和先进的测试分析平台。

目前国内从事宽禁带半导体研发的研究机构、企业单体规模小,资金投入有限,研发创新速度慢,成果转化困难。

加强顶层设计,助力产业协同发展

正是由于宽禁带功率半导体产业具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点,因此要想推进其快速协同发展,必须做好顶层设计,进行统筹安排。

国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》(以下简称《规划》),提出发展新一代信息技术,发展微电子和光电子技术,重点加强极低功耗芯片、新型传感器、宽禁带半导体芯片和硅基光电子、混合光电子、微波光电子等技术与器件的研发。《路线图》的起草将有利于《规划》的落实。

通过《路线图》指明发展方向与主要的脉络,在做好顶层设计的同时,有利于对产业进行统筹安排,有利于产业的协调发展,同时吸引各方的关注,有利于新的资金与资源的导入。

专家指出

发展宽禁带半导体:

一方面要依靠自主研发,实现技术突破;

另一方面要充分发挥产学研用相结合的作用,开展以需求为导向,以市场为目标的研究与开发,做到克服瓶颈、解决难题、进入市场、用于实际。

此外,加强宽禁带半导体材料研发及应用,急需引进和培养人才双管齐下,遴选领军人才、充实技术骨干、加快队伍建设。

一码不扫,何以扫天下

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