2018年7月14日，2018中國材料大會(huì)(CMRS)各分會(huì)場會(huì)議交流繼續(xù)進(jìn)行。本次大會(huì)共設(shè)35個(gè)分會(huì)場，儀器信息網(wǎng)編輯走入D11.半導(dǎo)體材料與器件分會(huì)場，為讀者帶來有關(guān)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的一場報(bào)告。該報(bào)告是由中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長陸敏帶來的《碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)》。報(bào)告詳述了碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料在國內(nèi)外不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì)，以及介紹了中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的一些工作，提出了我國在該領(lǐng)域所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，引發(fā)了廣大半導(dǎo)體從業(yè)者的討論和深思。
中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長 陸敏
碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料在軍用、民用領(lǐng)域的核心應(yīng)用
碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用主要分布在，電力電子器件，新能源汽車，光伏，機(jī)車牽引，以及微波通訊器件等領(lǐng)域。
在微電子領(lǐng)域，碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)在于可與氮化鎵半導(dǎo)體互補(bǔ)，氮化鎵半導(dǎo)體材料的市場應(yīng)用領(lǐng)域偏向中低電壓范圍，集中在1000V以下，而1000V以上的中高電壓范圍，則是碳化硅的天下。1200V以上的碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域有新能源汽車，光伏，機(jī)車牽引，智能電網(wǎng)等，高鐵機(jī)車的牽引電壓在6500V以上，地鐵則一般在3300V左右。
我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)正不斷蓬勃發(fā)展，去年的銷量約在80萬輛，今年預(yù)計(jì)會(huì)超過100萬輛。推廣新能源汽車最主要的目的是降低CO2的排放。迄今為止，日本豐田公司推出的油電混合動(dòng)力汽車已銷售超過1100萬輛，共計(jì)約減少7700萬噸CO2的排放。目前，主流發(fā)達(dá)國家都在推廣這類新能源汽車。國家發(fā)展和改革委員會(huì)也制定了新能源汽車的發(fā)展計(jì)劃，每五年的銷量應(yīng)有成倍的上升。未來，在包括車用，輔助設(shè)施，充電樁等的整個(gè)新能源汽車產(chǎn)業(yè)，均會(huì)成為支撐碳化硅在中高電壓領(lǐng)域高端應(yīng)用的重要組成部分。新能源汽車目前存在的核心困難是充電速率過慢，主流的研究熱點(diǎn)集中在快速充電技術(shù)，而快充技術(shù)的實(shí)現(xiàn)就需要用到高壓碳化硅半導(dǎo)體器件。電動(dòng)汽車主要有三大部件：一是電池，二是電機(jī)控制部分，三是電機(jī)。從電池到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，中間很重要的銜接環(huán)節(jié)就是電機(jī)控制部分，它需要專門器件碳化硅MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)去轉(zhuǎn)換。豐田的凱美瑞車型就使用了碳化硅半導(dǎo)體模塊，核心器件均為碳化硅半導(dǎo)體材料制備。特斯拉的Model 3型汽車車，也全部使用了碳化硅半導(dǎo)體模塊，每輛車會(huì)用到24個(gè)碳化硅模組，現(xiàn)今在道路上行駛的Model 3車輛中該碳化硅模塊的數(shù)量約為100萬。
碳化硅半導(dǎo)體在軍事、航天上也有許多應(yīng)用，不管是電力電子，還是微波設(shè)備，在軍工領(lǐng)域均有大量應(yīng)用。微波器件領(lǐng)域是整個(gè)碳化硅器件應(yīng)用的一個(gè)細(xì)分市場。微波通訊在軍用領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用是相陣控雷達(dá)，像美國的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)，已經(jīng)裝備了碳化硅襯底外延氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管);還有地基導(dǎo)彈系統(tǒng)，像薩德系統(tǒng)中的核心器件就是碳化硅襯底外延氮化鎵的HEMT，美軍已基本全面裝備使用，而我國仍未完全立項(xiàng)，不過相信出于戰(zhàn)略上的考慮也會(huì)加快推進(jìn)實(shí)行。軍事應(yīng)用是由于戰(zhàn)略的需求，但該領(lǐng)域市場規(guī)模應(yīng)該不會(huì)太大。射頻微波領(lǐng)域?qū)?yīng)于民用就是通訊領(lǐng)域，也是整個(gè)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用增長的關(guān)鍵領(lǐng)域。2018年6月，首個(gè)完整版全球統(tǒng)一5G標(biāo)準(zhǔn)正式出爐，相信5G通訊的應(yīng)用，也會(huì)大大推動(dòng)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
光伏領(lǐng)域是目前碳化硅器件最大的應(yīng)用市場，之后是新能源汽車領(lǐng)域，應(yīng)會(huì)逐漸超過光伏領(lǐng)域。
其他的應(yīng)用方向像LED產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是非常大的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，專利主要是被美國的科銳公司所控制。
在對(duì)2017年國內(nèi)碳化硅第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的統(tǒng)計(jì)中，襯底約有1.65億元，外延、器件、裝置的總產(chǎn)值依次升高，分別達(dá)2.76億元、6.92億元、28.98億元。總體來看，微波射頻應(yīng)用的產(chǎn)值相較電子電力應(yīng)用占多數(shù)，其產(chǎn)量高，產(chǎn)值大的原因是軍事上應(yīng)用的微波器件。由于軍方應(yīng)用額度畢竟有限，而民間應(yīng)用市場將會(huì)更大，因在2018年產(chǎn)值統(tǒng)計(jì)的結(jié)果和態(tài)勢(shì)會(huì)有明顯變化。相信2018年電力電子領(lǐng)域會(huì)出現(xiàn)更多的應(yīng)用和更大的拓展。
根據(jù)美國YOLE公司的統(tǒng)計(jì)，2015年電子電力器件用導(dǎo)電型碳化硅襯底約有12萬片，預(yù)計(jì)到2021年，會(huì)達(dá)到約40萬片。美國科銳公司是全球最大的碳化硅襯底企業(yè)，擁有1000多臺(tái)半導(dǎo)體晶體爐，一臺(tái)的產(chǎn)能約為每年500~1000片，全年可生產(chǎn)約100萬片，考慮成品率，一年的成品約為幾十萬片，可由此推算出市場的大致規(guī)模。國內(nèi)所有的半導(dǎo)體晶體爐約二三百臺(tái)，在世界范圍所占比例較低。
國內(nèi)外第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策情況
我國的“中國制造2025”計(jì)劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。特別設(shè)立的國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組有兩位第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的專家，由此可見國家對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相當(dāng)重視。北京也有對(duì)于第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策，北京目前定位為全國科技創(chuàng)新中心，該職能的實(shí)現(xiàn)需要通過一些產(chǎn)業(yè)的支撐，北京現(xiàn)正在大力扶持高精尖產(chǎn)業(yè)，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也是其中很重要的一項(xiàng)。希望未來能見到其他各省市都會(huì)出臺(tái)類似政策，來推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展。
國際上也有類似政策，美國總統(tǒng)奧巴馬主導(dǎo)成立第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，歐洲的Smart PM(Smart Powe Management)組織，日本的“首相戰(zhàn)略”等，均瞄準(zhǔn)并投入巨資推動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研究與發(fā)展。大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已在國內(nèi)外達(dá)成共識(shí)，不僅停留在產(chǎn)業(yè)研究的初期，更呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)爆發(fā)態(tài)勢(shì)。
面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)
一個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與兩個(gè)方面有關(guān)：一個(gè)是技術(shù)層面，另一個(gè)重要問題就是產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境。為建立這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境，中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟應(yīng)運(yùn)而生。標(biāo)準(zhǔn)是彼此之間溝通的平臺(tái)，產(chǎn)業(yè)環(huán)境問題的核心是搭建一個(gè)成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等均是支撐產(chǎn)業(yè)份額擴(kuò)大不可或缺的要素。
世界有兩大類標(biāo)準(zhǔn)體系：一類是政府類的標(biāo)準(zhǔn)，例如世界三大標(biāo)準(zhǔn)化組織，ISO、IEC、ITU，這些是美國推行的標(biāo)準(zhǔn)體系;還有一類是以市場為主體，來源于實(shí)體的一些標(biāo)準(zhǔn)，例如企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。國際上常見的IEEE，semi，Bluetooth，中關(guān)村標(biāo)準(zhǔn)等，均是團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，但它同樣擔(dān)當(dāng)著國際標(biāo)準(zhǔn)的作用。這類標(biāo)準(zhǔn)在國際上更有生命力和市場，因?yàn)樗钱a(chǎn)業(yè)一線從業(yè)者制定的標(biāo)準(zhǔn)。
《中國人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法》不久前通過了修訂，在我國的標(biāo)準(zhǔn)體系中，原先只有國家標(biāo)準(zhǔn)，地方標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，新的標(biāo)準(zhǔn)化法特別提出了團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)需要產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，社會(huì)團(tuán)體等一些非營利性團(tuán)體來制定。中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟目前也是國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)認(rèn)定的團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)制定單位，目前也在做一些工作來幫助這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)制定方面有更多的機(jī)會(huì)。
迄今為止， 在碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域，國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)共有16項(xiàng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于該行業(yè)的發(fā)展，這對(duì)整個(gè)市場的秩序及行業(yè)的發(fā)展是很不利的，因此標(biāo)準(zhǔn)化制定這項(xiàng)工作大有可為。這16項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基本均發(fā)布于近幾年，所以近年來碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陸續(xù)發(fā)展了起來。硅材料，是一個(gè)比較成熟的材料體系，與硅材料相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)約有二百余項(xiàng)，國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制定的時(shí)間跨度長達(dá)三四十年。因此碳化硅與硅材料領(lǐng)域相比，標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)產(chǎn)業(yè)的支撐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這對(duì)以聯(lián)盟為依托的行業(yè)及企業(yè)而言，是一個(gè)難得的機(jī)遇。
制定標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于是制定市場規(guī)則，制定市場規(guī)則相當(dāng)于在市場上會(huì)擁有更好的話語權(quán)和引導(dǎo)力。通過這一機(jī)遇，可以依托產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、或其他社會(huì)團(tuán)體，來健全第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)體系，以更好地支持這個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展，提升國家在該領(lǐng)域的市場競爭力。我國是全球最大的市場，但問題的核心在于市場上出售誰家的產(chǎn)品，因此擁有更大的話語權(quán)是十分重要的，制定標(biāo)準(zhǔn)就是制定話語權(quán)。