宽禁带功率半导体产业如何抢抓窗口期

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，由于硅(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。

中国科学院院士、南京大学教授郑有炓指出，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。

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年—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方面有关：一个是技术层面，另一个是产业生态环境。

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。另一个重要方面是产业发展的生态环境建设并不完善。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。

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。国务院印发的《“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。