在全球低碳節能環(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體材料憑借其高效率、高密度、高可靠等優(yōu)勢，發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。

第三代半導體材料優(yōu)勢明顯

一般來(lái)說(shuō)，芯片可以分為計算芯片、存儲芯片、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(lèi)。其中，功率芯片作為用電裝備和系統中的核心芯片，其作用是實(shí)現對電能的處理、轉換和控制，管理著(zhù)全球超過(guò)50%的電能資源，廣泛用于智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通、可再生能源開(kāi)發(fā)、工業(yè)電機、數據中心、家用電器、移動(dòng)電子設備等國家經(jīng)濟與國民生活的方方面面，是我國工業(yè)體系中不可或缺的一類(lèi)核心芯片，在全球低碳節能環(huán)保的進(jìn)程中也發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。

現有的功率芯片大多基于硅半導體材料，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(mǎn)足迅速增長(cháng)和變化的電能應用的新需求。以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料(有時(shí)亦被稱(chēng)為第三代半導體材料)由于禁帶寬度顯著(zhù)高于硅材料的1.1eV，有著(zhù)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出以下幾方面巨大的優(yōu)勢：高效率，相同芯片面積的導通損耗比硅基器件低近千倍(在相同的電壓/電流等級);高密度，開(kāi)關(guān)頻率是硅器件的幾十倍，可以大大減小電能轉換電路中儲能元件的體積，從而成倍地減小設備體積;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，可以大大提高系統的可靠性。

因此，寬禁帶半導體功率芯片在能源轉換領(lǐng)域具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和應用價(jià)值，其中，碳化硅功率芯片被公認為在中等以上功率應用中具有明顯的優(yōu)勢。經(jīng)過(guò)近30年的研究和開(kāi)發(fā)，碳化硅材料和功率芯片技術(shù)在近年開(kāi)始成熟，并快速地被推廣應用，正在掀起一場(chǎng)節能減排和新能源領(lǐng)域的巨大變革，在電動(dòng)汽車(chē)、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)升級已經(jīng)開(kāi)始。

高質(zhì)量大尺寸是碳化硅材料發(fā)展方向

碳化硅寬禁帶半導體功率芯片的產(chǎn)業(yè)鏈包括碳化硅材料、芯片、封裝測試、系統應用四個(gè)環(huán)節。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，增大晶圓尺寸、降低缺陷密度和成本是其主要發(fā)展方向。

國際上碳化硅單晶材料以6英寸為主流，并開(kāi)始實(shí)現8英寸晶圓的批量生產(chǎn);在我國則以4英寸晶圓為主流，6英寸晶圓實(shí)現小批量生產(chǎn)。在芯片方面，德國英飛凌(Infineon)公司和美國科銳(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Cree公司實(shí)現量產(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(cháng)。目前，國際上主要的碳化硅功率芯片公司有美國Wolfspeed(Cree公司的子公司)、德國英飛凌、日本羅姆、歐洲的意法半導體(STMicroelectronics)、日本三菱，這五家公司占據了全球市場(chǎng)的約90%。

由于其用于電能變換的特點(diǎn)，功率芯片和計算、存儲等芯片在技術(shù)層面上存在著(zhù)顯著(zhù)的不同，其主要技術(shù)難點(diǎn)和進(jìn)步并不依賴(lài)于日益精細的工藝線(xiàn)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，以及和應用環(huán)節的緊密配合。根據法國市場(chǎng)調研Yole公司的預測，2020年碳化硅功率芯片的市場(chǎng)規模將達到35億元人民幣，并以超過(guò)40%的年復合增長(cháng)率繼續快速增長(cháng)。預計到2030年，全球碳化硅功率芯片市場(chǎng)規模將超過(guò)500億元人民幣，并拉動(dòng)十倍甚至幾十倍規模的裝備和終端市場(chǎng)。

我國碳化硅材料和芯片期待產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

在國內，“十二五”初期，我國開(kāi)始布局碳化硅功率半導體芯片的研發(fā)，實(shí)現了從無(wú)到有的突破?！笆濉逼陂g，我國掀起了碳化硅功率半導體材料和芯片產(chǎn)業(yè)化的浪潮。近年來(lái)，在各級政府、各類(lèi)企業(yè)、科研院所、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等的共同努力下，我國在碳化硅功率半導體芯片領(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(kāi)發(fā)能力，正在進(jìn)入實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的初期。在國家科技項目和各級政府的支持下，目前國內有多家企業(yè)和平臺正在建設或已建成多條4~6英寸碳化硅芯片工藝線(xiàn)，這些工藝線(xiàn)的投產(chǎn)，將會(huì )大大提升國內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，我國當前的碳化硅產(chǎn)業(yè)和國際上依然存在較大的差距。為了更快更好地發(fā)展我國碳化硅材料和芯片產(chǎn)業(yè)，可以從以下幾個(gè)方面著(zhù)力推進(jìn)：

一是組織制定中長(cháng)期發(fā)展規劃。碳化硅材料和功率芯片技術(shù)的發(fā)展依然需要依靠國家大力支持，只有這樣，才能在落后國際先進(jìn)水平的情況下奮起直追，打造獨立自主、具有國際競爭力的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈。建議根據國情和市場(chǎng)需求，編制“中國碳化硅材料和器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃”，對碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)行有規劃、分層次、穩定的支持。

二是形成以企業(yè)為創(chuàng )新主體的規?；a(chǎn)業(yè)。我國碳化硅功率芯片產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)規模尚未形成。為應對國際市場(chǎng)日益嚴峻的競爭壓力，我國在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中應以應用需求為導向，以盡快形成規?；a(chǎn)業(yè)為目標，以企業(yè)為創(chuàng )新主體，加快制定產(chǎn)業(yè)標準，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)地域效應和集群效應，盡快實(shí)現碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)規?；l(fā)展。

三是構建“產(chǎn)學(xué)研用”結合的協(xié)同創(chuàng )新發(fā)展體系。我國碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須堅持自主創(chuàng )新、“產(chǎn)學(xué)研用”相結合。目前亟須集中力量、突出重點(diǎn)，發(fā)揮科研院所的基礎技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)攻堅和高端人才培養的優(yōu)勢，并使之與企業(yè)緊密結合，形成自主知識產(chǎn)權，不斷提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和競爭力，打造一支支撐技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才隊伍。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，促進(jìn)科研院所和企業(yè)相結合的創(chuàng )新機制，加快碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

四是建設上下游緊密溝通和合作的完整產(chǎn)業(yè)鏈。國內已有一批碳化硅單晶襯底材料、外延材料、器件設計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，以及材料、芯片質(zhì)量評價(jià)和性能驗證是環(huán)環(huán)相扣、互相推動(dòng)的統一整體。我國在產(chǎn)業(yè)鏈上的最大優(yōu)勢是擁有巨大的市場(chǎng)和強勁的應用需求，建議在政策引導下，充分發(fā)揮這一優(yōu)勢，以市場(chǎng)需求拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上游各環(huán)節，引導各環(huán)節間實(shí)現資源共享、互相促進(jìn)，形成一個(gè)布局合理、結構完整的產(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)傳達政府政策，指導企業(yè)科學(xué)發(fā)展和自主創(chuàng )新，有效進(jìn)行結構調整，實(shí)現我國碳化硅材料和芯片產(chǎn)業(yè)的可持續發(fā)展。

我國碳化硅功率芯片的市場(chǎng)約占據國際市場(chǎng)的40%~50%。通過(guò)有效的中長(cháng)期發(fā)展規劃、政府和企業(yè)界的持續投入、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)間內得到迅速發(fā)展，并在不遠的將來(lái)邁入國際先進(jìn)行列。

來(lái)源：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)