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8位专家11句话,带你了解“宽禁带半导体”

时间:2018-09-27 作者:赵娟,ASPENCORE中国区总分析师 阅读:
第三代宽禁带半导体材料被广泛应用在各个领域,包括电力电子,新能源汽车,光伏,机车牵引,以及微波通讯器件等,由于它突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈,被业界一直看好……

第三代宽禁带半导体材料被广泛应用在各个领域,包括电力电子,新能源汽车,光伏,机车牵引,以及微波通讯器件等,由于它突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈,被业界一直看好。

在前不久2018年国际泛半导体投资论坛上,华登国际合伙人、中电华登信息产业基金首席投资官容志诚先生主持了一场圆桌讨论,和业界领袖嘉宾共同探讨了宽禁带在中国的发展。

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“宽禁带有两个大的发展空间,一个是高压跟高温,应用场景包括高铁等,例如日本第二代高铁能跑350公里/小时、车轻了11吨,一个重要原因就是借助新材料提供耐高温高压的性能,可靠性大大提高、性能也大大提高,重量大大减低。还有国家智能电网,电动车/油混车等。” 容志诚认为,“另外一个方向是通信,从5G到毫米波的高频趋势,如下图所示。”

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在此分享现场8位嘉宾的精彩观点,从宽禁带半导体的优势说起,讨论生态圈的现状?面对什么样的挑战?需要做什么?

(参与圆桌讨论的嘉宾包括: IEEE会士/纽约伦斯勒理工学院周达成教授、中国LED产业与应用联盟秘书长关白玉、工信部电子科技委委员李晋湘、北京大学宽禁带半导体联合研究中心主任/北京大学东莞光电研究院常务副院长张国义教授、东风汽车技术中心副总工程师罗建武博士、中国宽禁带功率半导体产业联盟理事长单位山东天岳副总裁孙克博士、香港创能动力(APS)创始人总裁周永昌)

【宽禁带半导体优势四个字:四高一抗】

李晋湘从产业界角度总结了“四高一抗”——宽禁带半导体材料包括器件,有哪四高?高温、高压、高功率、高频率;抗什么?抗辐射。

记住“四高一抗”。这个优势带来了新的应用,功率器件肯定是要高功率、耐高温。通信,特别是5G要向高频发展。

【我们的碳化硅废品太多都做了叫锆石的首饰。产业化技术要关注。】

什么叫产业化技术?意思是做的产品不是达到指标就成功了——产品要实现低成本,高效率,质量一致性等。李晋湘表示,“我们要非常关注这一点,这是我们跟国际上最大的短板,是我们在产业化过程中经常跟不上的地方。比如说碳化硅的规模生产效率非常低,跟国际上比,产出合格率很低,所以我们大部分材料做什么呢?做了一种叫锆石的首饰,在市场看锆石都是我们碳化硅中的废品做的。”

这说明我们的产业化技术关注投入不够。“这样高的成本,虽然性能很好,但大家是用不起的。” 李晋湘指出,“以前蓝宝石是很贵的,是放在高档手表上的,因为耐磨。后来由于我们产业化的技术突破,现在蓝宝石大量的通过外延技术,成本已经很低了,所以高亮度的LED大量采用蓝宝石衬底。碳化硅同样是这个问题,技术的投入是必须的,但是不要忘了产业化技术。”

【碳化硅负责高温,砷化镓负责低压。】

宽禁带半导体中,碳化硅和氮化镓是最多的,以前它们主要针对一些介质和高压的环境,现在整个基础设施,包括像生态系统都已经可以适用各种材料了,周达成指出,“我总觉得这个趋势,是碳化硅应该是负责高温,而砷化镓是低压。”

【要关注外延生长技术】

现在大家都在采用MOCVD、HVPE等方法实现外延生长,国际上在研究一些突破性技术,不用晶体去生长,而在其他的金属产品、玻璃产品上去构建方法同样得到高性能材料,张国义教授指出,这样的技术突破也会对现在的宽禁带技术产生重大影响,是我们要关注的方向。

【氮化物半导体的六个研究方向】

张国义教授的研究方向是氮化物半导体,他认为有六个方向是最的关注的:一是半导体照明;二是功率器件;三是激光显示/激光器;四是紫外,即深紫外的探测和发光器件,包括到UAC,五是稀磁半导体和自旋半导体——这对电子行业也是一个颠覆性的技术;六是全光伏太阳能电池。这六个是特别值得关注的地方。

对于投资的方向,张国义教授认为大家关注的大部分是发展和成熟的技术,而忽略或者不够重视战略性投资

【宽禁带半导体处在爆发式增长的前期】

宽禁带半导体有非常优异的性能,但是现在整体价格确实很高,下游应用目前处在研发阶段,还没有形成批量产业化,尤其是在国内。孙克博士表示,“国内跟国外比还是有一定的差距,但是从整个国际半导体市场来看,我们判断宽禁带半导体基本上处在爆发式增长的前期。”

【材料的制备难度非常大】

基础材料,尤其是碳化硅材料后端很多工艺难度很大。“做芯片、做模块可以借鉴硅的技术,但是材料的制备难度非常大,碳化硅的制备和硅的制备不同,这是制约产业发展很核心的障碍。要先解决材料问题,降低材料成本,然后再提高材料的一致性。”孙克博士表示。

现在国内下游应用还没有完全起来,像美国、欧洲,很多相对比较成熟的应用领域已经打开,但是国内还处在研发阶段,没有大规模的生产。我们做出的东西要用到整个大的系统当中去,比如在高铁上应用,先期要有示范应用。“没有这种示范应用,没有政府的扶持,想大规模多批量发展难度还很大的。” 孙克博士表示。

【在化合物半导体里面,材料是最重要的基础】

“我来自中国半导体照明LED产业与应用联盟,大家可能想知道这个联盟和我们所说的的宽禁带半导体有什么样的联系,其中用于半导体照明的蓝光LED是氮化镓和碳化硅材料制造的,氮化镓和碳化硅材料属于宽禁带半导体范畴,目前是在支撑光电子器件和电力电子器件两类产品的发展。整个半导体领域的材料是多种的,如有单元素晶体形态的,如硅,有化合物形态的,如砷化镓、氮化镓和碳化硅等;产品是多种类型的,有半导体二极管、三极管、集成电路、光电器件,传感器等都是半导体器件家族里的成员,在产业发展中遵循的是高技术产业共同的规律,一个是市场驱动,一个是技术牵引。”现在我国宽禁带半导体的市场已经开启,市场前景看好;电力电子器件的创新技术逐步趋于成熟,可在应用端支撑市场的多种需求。关白玉表示。

在产业的发展过程中,传统产业最核心环节的是三点:材料、工艺、检测。对半导体器件产业来讲还要加两点,在材料的后面要加设计、在检测后面要加上应用。“在化合物半导体器件制造中,材料是最重要的基础,有好材料才能制造出性能好的器件。现在我们面对化合物的材料最大的挑战是解决晶体的完美性、晶格匹配和热匹配问题。”关白玉表示。

【化合物半导体是硅器件的一个延伸,不是一个替代】

 

“我觉得周教授说的很清楚:化合物半导体是硅器件的延伸,不是替代。”关白玉指出。

 

【器件厂与车厂,不能是简单的上下游买卖关系】

汽车对高频和高温的这两个需求是非常旺盛的,罗建武指出。

他解释道,一方面,汽车电动化要大量应用电力电子的产品,包括电机驱动器、车载充电器等,同时汽车要提高电机的转速,要提高变换器的工作频率,然后还有减小材料的体积重量;领一方面用传统的硅器件,冷却系统要做两套,一个是为发动机做的冷却系统,另一个要专门为电力电子装置做冷却系统,这样整车系统就搞得特别复杂。

“特斯拉等车厂陆陆续续使用碳化硅。功率半导体的应用有别于普通的灯具或者是芯片,车厂在实际应用过程中也希望能够得到功率器件厂家的帮助,而不是简单的上下游买卖关系,只有芯片厂和应用芯片的厂结合起来,从性能、封装、散热方面紧密的结合起来,这样开发的产品才有一定的生命力。”罗建武表示。


【按产业规律来做,特别防止碎片化。】

宽禁带的发展现在很热,但是要按照它的产业规律来做,特别是防止碎片化,出现低水平重复。李晋湘认为它的规律有两个:第一,产业技术是在逐步成熟的过程;第二,它的市场目前来看是一个利基市场,跟硅集成电路的规模没法比。

宽禁带功率器件的市场全球大概不超过10亿美金,射频器件大概也是这个量,而集成电路是几千亿美金。“至少在这三五年里我们不能用集成电路的方法去管理/投资宽禁带。” 李晋湘认为。

他指出第一要考虑集成,材料、设备、工艺,器件的结构设计/封装要一体化,例如美国、日本公司都是一个公司包揽从材料、器件到应用,不像中国这么分散,做衬底的冒出来十多家公司,做外延的又冒出来十多家,太多的投资公司搞乱了市场。所以中国急需要出现大的企业集团全面投资,把宽禁带半导体产业链牵起来。

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