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第3代半导体发展概述及我国的机遇、挑战与对策

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文/ 郝建群1 高 伟1 赵璐冰1,2 曹峻松1,2 吕 欣1,2 阮 军1,2

1. 北京半导体照明科技促进中心

2. 中关村半导体照明联合创新重点实验室

第3代半导体材料是指带隙宽度明显大于硅(S i)(1.1e V)和砷化镓(G a A s)(1.4e V)的宽禁带半导体材料。它具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能,是固态光源、下一代射频和电力电子器件的“核心”,在半导体照明、消费类电子、5G移动通信、新能源汽车、智能电网、轨道交通等领域有广阔的应用前景,有望突破传统半导体技术的瓶颈,与第1代、第2代半导体技术互补,对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点发挥重要作用,正在成为全球半导体产业新的战略高地。我国在半导体照明方面已经形成完整的产业链和一定的产业规模,成为全球发展最快的区域,为第3代半导体在其他领域的应用奠定了良好的基础。但我国在电力电子、通讯等领域的研发和产业化与国外差距较大,需要加大研发投入,建立体制机制创新的研发创新和科技服务平台,构建立足地方、带动全国、引领世界的跨学科、跨行业、跨区域的第3代半导体创新价值链,重塑全球半导体产业发展格局。

一、第3 代半导体材料及应用

半导体材料(S e m i c o n d u c t o rM a t e r i a l s)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内),可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料可以划分为3个时代。

第1代半导体材料以Si和锗(Ge)等元素半导体材料为代表,奠定了微电子产业基础。其典型应用是集成电路(Integrated Circuit,IC),主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器,在未来一段时间,S i材料的主导地位仍将存在。但S i材料的物理性质限制了其在高压和高频电子器件上的应用。

第2代半导体材料以G aAs和磷化铟(I n P)为代表,奠定了信息产业基础。G a A s材料的电子迁移率是S i的6倍,具有直接带隙,故其器件相对S i器件具有高频、高速的性能,被公认为是很合适的通信用半导体材料。同时,其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。然而,由于禁带宽度范围不够大、击穿电场较低,限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外,GaAs材料具有毒性,对环境和人类健康存在威胁。

第3代半导体材料是指带隙宽度明显大于S(i 1.1eV)和GaA(s 1.4eV)的宽禁带半导体材料(2.0 ~6.0e V),包括Ⅲ族氮化物﹝如氮化镓(G a N)、氮化铝(A l N)等﹞,碳化硅(S i C),宽禁带氧化物﹝(如氧化锌(Z n O)、氧化镓(G a2O3)、钙钛矿(C a T i O3)等)﹞及金刚石薄膜等宽禁带半导体材料。与第1代、第2代半导体材料相比,第3代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质,第3代半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,而且在高电压、高频率状态下更为可靠,此外还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力。第3代半导体材料正在成为抢占下一代信息技术、节能减排及国防安全技术的战略制高点,是战略性新兴产业的重要组成部分。

第3代半导体材料主要有3大应用领域:电力电子、微波射频和光电子。产业链主要包括材料、器件和应用环节,具体如图1所示。

第3代半导体电力电子器件包括S i C电力电子器件和G a N电力电子器件。S i C电力电子器件主要有肖特基二极管(S B D)、结势垒控制肖特基二级管(J B S)、P i N二极管、金属氧化物半导体场效应开关管(MO S F E T)、结型场效应开关管(J F E T)、双极型开关管(BJT)、门极可关断晶闸管(GTO)、发射极可关断晶闸管(E T O)、绝缘栅场效应开关管(IGBT)等;GaN电力电子器件主要是S B D和高电子迁移率晶体管(H E M T)。电力电子器件可按电压等级,分为低电压应用( <1.2k V)、中电压应用(1.2 ~1.7k V )和高电压应用(> 1.7k V )。低压范围主要用于消费类电子;中压范围主要用于新能源汽车、光伏逆变、工业电机、U P S等;高压范围主要用于智能电网、轨道交通等(详见图2)。

第3代半导体在微波射频领域的应用器件主要包括GaN HEMT和G a N单片微波集成电路(M M I C)。在相控雷达、电子对抗、导弹和无线电通信等军事国防领域有巨大应用潜力;在民用商业应用领域,可用于无线基础设施(基站)、卫星通信、有线电视和功率电子等。

基于氮化物的光电子器件包括发光二极管(L E D)、激光二极管(LD)。采用LED器件的半导体照明是第3代半导体材料在光电子领域的成功应用,广泛应用于景观亮化、显示指示、背光,尤其是LED在通用照明领域的应用已成为推动整个行业新一轮发展的最大动力。随着L E D技术与新一代信息技术的融合发展,将催生智能照明、可见光通讯、医疗、健康、农业等超越照明应用。氮化物L D由于电光转换效率高、调制频率高、体积小、成本低等潜在优势,在高密度信息存储、激光显示、水下及塑料光纤通信、激光打印复印、生物医学、化学传感等民用和军用领域都有重要而广泛的应用。宽禁带紫外探测器则可应用于紫外预警、日盲探测、紫外成像、环境探测、荧光与光谱分析、高速流体分析、天文研究、同步辐射、粒子探测及闪光照明等诸多领域。

二、国外现状与发展趋势

国际上第3代半导体材料已经取得了原理性的科学突破,即将进入颠覆性技术创新和应用的阶段。第3代半导体材料科学的基础性研究和产业化技术已经在美国、日本、欧盟3大区域初步发展成熟。第3代半导体科技的发展,不仅表现在衬底及外延材料尺寸不断由小直径向大直径发展,也体现在材料质量与器件性能的不断飞跃。与此同时成本和价格不断下降,推动了相关产业的升级发展。

1. 技术现状和发展趋势

在S i C衬底及外延片方面,正向大尺寸、低缺陷密度的方向发展。目前国际主流产品的尺寸是4英寸,价格以年均30%的速度下降。近期美国、日本多家公司推出6英寸S i C衬底及外延片,预计5年内将成为市场主流。

在G a N衬底及外延方面,日本多家公司已在出售2 ~3英寸G a N衬底。在G a N外延片方面,美国科锐(C r e e)公司、英国I Q E等多家公司可以提供射频器件用Si C衬底上G a N外延片,未来几年内仍将是军用G a N射频器件的主流材料。S i衬底上G a N外延片由于具有较高的性价比,被认为LED及民用GaN电子器件的理想技术路线之一,目前4 ~6英寸的S i衬底上GaN外延片已经实现量产,8英寸外延片也已被多家科研机构和公司报道。

在电力电子器件方面,目前SiCSBD、JFET、BJT以及MOSFET均已实现量产,产品耐压范围600 ~1 700V ;而实验室耐压水平已经达到10 ~20k V量级。基于G a N材料的电力电子器件尽管耐压能力低于S i C器件,但优势在于开关速度快。目前S i衬底上G a N电力电子器件产品的耐压为600V,实验室耐压已经超过2 000V,达到了市电应用要求,展现出巨大的实用潜力。S i C与G a N电力电子器件差异分析详见表1。

在微波射频器件方面,GaNH E M T是新一代固态射频功率器件的研究热点。目前,GaN MMIC取得了令人瞩目的成就,在带宽、效率及高功率方面全面超越了GaAs技术。美国、日本等十几家公司均推出了G a N射频功率器件产品。

在光电子器件方面, LED技术日新月异。目前国际领先的L E D企业有日本Nichia、德国Osram、美国Cree和Philips Lumileds等,主要采用蓝宝石衬底外延GaN技术路线(Cr ee采用S iC衬底技术路线),产业化L E D光效水平达到160 l m / W以上。另外,S i衬底上G a N外延技术已经逐渐成熟。目前,晶能光电有限公司、东芝、三星等多家国内外公司均推出了大尺寸S i衬底上产业化大功率GaN LED芯片产品,光效达到130 ~140 l m / W,其高性价比得到了产业界的极大关注。此外,基于G a N材料的紫光、蓝光、绿光L D、紫外探测器也是各大机构研究的热点。

2. 产业现状和发展趋势

在电力电子领域,S i C和G a N器件正在渗透到以电动汽车、消费类电子、新能源、轨道交通等为代表的民用领域。日本三菱电机公司在逆变器中采用S i C二极管和晶体管,开发出世界上最小的电动汽车马达;丰田汽车公司在以“普锐斯”为原型的试制车上采用S i C器件的P C U,可使燃料效率提高5%以上。三星电子的音响产品“H T F9750W”的D级放大器已采用G a N器件;日本多家空调厂商开始推出采用S i C器件的空调变频驱动器。安川电机和三菱电机分别推出采用G a N和S iC电力电子模块的光伏逆变器,转换效率均达到98%。东京地铁银座线的新“01系列车”采用三菱电机的S i C逆变器,系统电力损失减少30%以上。随着性能不断提升以及价格不断下降,第3代半导体电力电子器件将在更多领域得到更为广泛的应用。据Y o l e预测,2020年,S i C与G a N功率器件市场规模约为9.6亿美元,2015-2020年,全球S i C电力电子器件产值年增长率达39%,G a N电力电子器件产值年增长率达80%。

在微波射频领域,G a N器件在民用市场和军用市场都已经实现规模化应用。在民用市场,G a N射频器件在5G通信领域需求显著。5G通信的数据流量需求将是现有技术流量的1 000倍以上,届时对G a N射频器件的使用量将为现有G a A s器件的100倍以上。日本松下公司已推出业界最小的增强型600V - G aN功率晶体管。在军用市场,G a N射频器件需求快速增长,仅战斗机雷达对G a N射频功率模块的需求就将达到7 500万只。目前,美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达(A M D R)已采用GaN射频功放器件替代GaAs器件。据Y o l e预测,2020年末,G a N射频器件市场规模将扩大至目前的2倍,达到7.5亿美元,年均复合增长率20%。

在光电子领域,从全球范围看,目前基于第3代半导体技术的半导体照明替代传统光源已出现井喷式增长,美国、欧洲等国家在光品质及智能化等方面正加速发展。半导体照明已经在景观照明、液晶背光、大型显示屏等领域得到广泛应用,在汽车照明、大尺寸液晶背光领域的应用也进入规模化阶段。半导体照明在通用照明领域的应用已经全面启动,正成为其最大的应用市场。据I H S信息咨询公司2015年的报告显示,2015年,LED灯安装数量在整体照明产品在用量中的渗透率仅为6%,预计未来几年有较快增长,到2022年接近40% ;半导体照明产业的飞速发展和规模生产,为发展高性价比的激光器、探测器奠定了基础,加快了光电子器件应用步伐。

三、国内现状与发展趋势

我国开展第3代半导体的研究工作虽然起步比发达国家稍晚,但在国家科技计划项目多年连续支持下,在技术和人才方面形成了良好的积累和基础,并在国防、电动汽车等领域已开始相关器件的应用。依托我国巨大的潜在应用市场,通过需求牵引,有望带领我国第3代半导体在新时期实现“弯道超车”,抢占第3代半导体战略制高点。

1. 技术现状和发展趋势

在S i C衬底及外延方面,我国已经实现2 ~4英寸S i C衬底的量产,开发出6英寸S i C单晶样品;然而衬底质量与国际水平尚存在一定差距。在S i C外延方面,我国在进口的S i C衬底上实现了2 ~4英寸S i C外延片量产,并已能小量提供6英寸外延片。

在G a N衬底和外延方面,我国形成了具有自主知识产权的氢化物气相外延(HVPE)技术,实现了2英寸自支撑GaN衬底小批量供货;在GaN外延方面,成功生长出高质量的4英寸S i C衬底上G a N H E M T器件外延片。此外,已经克服大尺寸S i衬底上G a N外延材料的开裂和翘曲等关键技术问题,开始批量生产4 ~6英寸Si上G a N外延片,在实验室已能制备8英寸外延片,部分技术处于国际先进水平。

在电力电子器件方面,国内多家企业和科研机构已在进口S i C外延片上研制出大容量SiC SBD和JFET,但综合性能与国际先进水平尚有一定差距;已具备S i C S B D的量产能力,产品耐压范围600 ~1200V,S i CM O S F E T等晶体管产品研发能力尚有待提高。在G a N电力电子器件方面,已经在实验室实现了耐压超过900V的S i上G a N电力电子器件,性能与国际先进水平有较大差距,且暂未实现商品化。可喜的是,目前我国有多家Si器件厂商和LED厂商正在积极开发S i上G a N电力电子技术,基于他们较强的产业化能力,实现技术和产业的跨越式发展可能性很大。

在微波射频器件方面,我国已研制出覆盖C波段至K a波段的多款军用GaN HEMT及MMIC,处于样品试制、试用阶段。目前GaN微波功率器件在低频范围内的部分性能参数已经接近国际先进水平,但在可靠性、工艺技术等方面还存在较大差距。在民用方面,我国推出了用于无线通讯基站的G a N微波功率管,产品的多项指标处于业界领先水平。

在光电子器件方面,L E D技术与国际差距较小,部分技术国际领先。目前我国在蓝宝石衬底上制备的功率型白光L E D的产业化光效超过150 lm/W,在Si衬底上制备的功率型LED的产业化光效超过140 lm/W,处于国际领先水平。伴随着国内L E D技术的不断成熟,生产规模的不断扩大,我国L E D照明产品正以每年超过30%的降价幅度不断接近节能灯等传统照明产品价格,已开始大规模进入室内外通用照明领域。

2. 产业现状和发展趋势

在电力电子领域,目前,我国是电力电子器件全球最大应用市场。在消费类电子、工业电机、智能电网、新能源并网、新能源汽车、大数据中心和移动通讯基站等方面,均需大量高性能的第3代半导体电力电子器件和装备。我国有近10家企事业单位分别开展了S i C和G a N器件在电网、移动通信等领域的应用技术研究。采用进口S i C器件及模块,在通讯电源功率因数校正(PFC)电路及光伏逆变器中实现了更小的体积和更高的效率。研究了GaN射频功放技术在移动通信领域中的应用,在输入、输出宽带匹配技术、视频带宽拓宽技术、电源及去耦技术、供电时序控制技术及适合于G a N功放的数字预失真(D P D)技术等方面形成了一定积累,已有产品针对细分市场实现小批量供货。国家半导体照明工程研发及产业联盟产业研究院(CSA Research)预测,到2020年,我国S i C与G a N功率器件产业整体市场规模约为226亿元,其中G a N市场规模142亿元,S i C市场规模85亿元(详见图3)。2015-2020年,我国S i C电力电子器件复合增长率将超过40%,GaN复合增长率将达到70%。

在微波射频领域,我国4G和5G网络建设对G a N射频器件需求巨大。C S A R e s e a r c h预测,到2020年,我国GaN射频器件产业的将达到104亿元,较现有市场规模翻2番(详见图4)。仅在移动通讯基站应用领域,我国的G a N射频器件的市场规模约为30亿元,将带动射频功率模块产值超60亿元,进而带动4G及5G移动通信基站终端设备市场规模达约800亿元。

在光电子领域,我国第3代半导体材料成功产业化的第一个突破口是半导体照明产业。我国半导体照明产业发展迅速,已经形成了完整的产业链,产业规模持续增长,芯片从无到有,替代进口已经达到75%,创新应用走在世界前列,成为全球发展最快的区域,为实现我国第3代半导体材料及应用的发展奠定了良好的基础。

据国家半导体照明工程研发及产业联盟(C S A)《2015年中国半导体照明产业数据及发展概况》统计,2015年,我国半导体照明产业整体规模达到4 245亿元人民币,其中上游外延芯片规模约151亿元,中游封装规模约615亿元,下游应用规模上升至3 479亿元(详见图5)。功率型白光L E D产业化光效超过150 l m /W,具有自主知识产权的功率型硅衬底LED芯片产业化光效超过140 lm/W。以LED为主营业务上市公司增长到25家,营收持续增长并购整合成为重要趋势,以龙头企业为核心的星系化集团逐步形成。我国已成为全球最大的半导体照明产品生产和出口地。

总体来说,我国半导体照明技术与应用接近国际先进水平,自主知识产权的S i衬底L E D、可见光定位等创新应用处于国际领先水平;在第3代半导体电子器件应用方面,日、美、欧在地铁机车、新能源汽车、白色家电、光伏逆变器等领域实现了应用,而我国只在光伏逆变器等领域实现了应用。

3. 国内外差距及其原因分析

我国第3代半导体材料在照明领域取得了可喜成就,但第3代半导体材料在电力电子、通讯等领域的研发与产业化与国外差距还较大,如5G移动通信、智能电网、轨道交通、新一代通用电源等,产业化方面的落后程度甚于技术层面的落后程度。研发投入不够,缺乏技术战略、产业战略层面的统筹部署,组织管理模式与新兴产业发展特征与规律不相适应。与发达国家相比,我国第3代半导体产业存在的关键问题突出表现在发展模式方面,特别是体制障碍。如应用端与核心材料与器件分立,研发机构与企业利益无法捆绑,缺乏对全产业链的顶层设计、系统布局,一体化整体实施,又无法解决产业化过程中遇到的共性关键问题。市场对新型产品和客户的接受程度以及国外大企业对于市场的冲击,对我国第3代半导体产业形成了压制风险,市场开拓成本偏高,客户验证时间较长成为主要制约因素,特别是产业地方保护主义比较严重,无法形成国家层面的一盘棋。而且一旦有技术突破,低水平重复建设问题突出,缺乏知识产权保护、产业集中度、市场规范化以及创业环境等问题,难以保障战略性新兴产业健康、可持续发展。

四、我国面临的机遇、挑战与发展对策

1. 发展机遇

面向全球性节能减排需求,发展基于第3代半导体材料的高效电能转换技术刻不容缓。国际上照明耗能约占总电功率的20%,目前我国大陆地区占总电功率的12%~13%,预计到2020年将占19%。L E D照明能效有望提高50%~70%,节能效果极其可观。另外80%以上的用电能耗在白色家电、电子信息设备、可再生能源并网、工业电机驱动、轨道交通等众多领域中,节能潜力巨大。第3代半导体的应用将掀起绿色能源消费的巨大变革。

移动互联、大数据的信息化社会对第3代半导体材料提出了迫切需求。“互联网+”作为一种新的经济形态,将与社会经济各领域深度融合,并将成为提升实体经济创新力和生产力的技术基础,而基于互联网的移动通讯产业、大数据产业必将迅猛发展,支撑大量移动终端、海量数据传输、数据中心运行的材料需求非常迫切。第3代半导体材料由于工作频率高、功率大、稳定性强,能够制造高效节能,小型化、轻量化、低成本的器件,将成为发展新一代移动通讯的重要选择。

空天、国防技术和现代大型牵引电力等设备的重大需求。航空、航天和国防应用都有严格的体积、质量和尺寸限制。G a N材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍,是制造微波器件的理想材料,正在并将更广泛应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备等空天和国防领域。

2. 发展挑战

我国第3代半导体材料技术在国家科技计划持续支持下已经取得了较好的发展,但要实现弯道超车、抢占制高点的艰巨任务,还面临着巨大挑战。

(1)需要打破体制障碍、统筹部署、集中投入、形成发展合力

第3代半导体材料及应用技术涉及材料、能源、交通、信息、自动化等多个领域,从材料研发到工程化应用,需要巨大的研发资金投入,单个部门难以支撑。我国先后对一些单元技术进行部署,并取得重要进展,但由于若干体制障碍,缺乏对全产业链的整体考虑,因此投入相对分散,无法解决产业化过程中遇到的共性关键问题,难以支撑我国第3代半导体科技整体追赶国际先进水平,无法满足相关应用领域的市场需求。

(2)企业创新主体作用发挥不足,公共研发服务平台缺位

第3代半导体材料、器件和模块的制造需要尖端设备、高等级洁净环境和先进的测试及研发平台。目前国内从事第3代半导体研发的企业单体规模小,资金投入不足,研发机构比较分散,创新速度慢,工程化技术是短板、成果转化难,公共平台缺位,使研发“死亡谷”现象严重,急需建立体制机制创新、开放、国际化的第3代半导体材料共性关键技术的公共研发平台。

(3)产业链未打通,产业体系未建立,整体创新环境待完善

第3代半导体材料及应用多领域,多学科交叉、融合特点明显,从基础研发到工程化应用的创新链很长,但目前应用端与核心材料、器件分离,无法形成利益共同体,缺乏对全产业链的顶层设计、系统布局,一体化整体实施。且现有标准、检测、认证等产业体系和环境建设方面的行业规则、办事程序和体制机制等与新材料产业发展规律和特点不相匹配,尚未解决材料“能用-可用-好用”发展过程中的问题和障碍。

3. 发展对策

(1)建立跨部门协调机制,统筹规划,形成合力

在国家层面形成跨部门协同、跨区域组织的协调机制和多部门联合的配套性政策。不仅在各项科研计划、整体目标的决策上做到顶层设计、统筹部署,而且在打通创新链各环节上出台政策措施,确保在技术应用、成果转化、示范推广、标准检测认证等市场培育的过程中,形成持续、配套的政策合力。特别是对颠覆性技术、跨界融合的产品开发、培育新的应用、新商业模式等方面,更需要加大体制机制改革。鼓励社会资本投入研发及产业化,通过新型模式鼓励社会资本参与设立第3代半导体科技产业基金,实现国家投入放大增效。

(2)支持开放的研发与服务平台建设,构建产业创新的全体系

贯穿材料研发、生产、应用的全链条发展模式,以目标与问题为导向,构建公共的研发创新平台和科技服务平台,补齐研发成果转化的短板,强化工程化阶段的公共服务。以需求引导和市场化的手段,形成开放、可持续的协同创新局面,如以增量激活存量,充分利用、统筹衔接现有机构的人才优势、研发优势和设备硬件等条件,重点解决技术集成化和工程化应用中的薄弱环节和关键问题。促进创新成果快速产业化,在研发创新平台建设的同时还要加大科技服务平台建设,形成研发与服务的“双螺旋”驱动。打破部门垄断和行业壁垒,全方位加强标准、检测和认证体系建设,有序开放检验检测认证市场,打破部门垄断和行业壁垒,鼓励不同所有制检验检测认证机构平等参与市场竞争。

(3)以人为本,构建创新人才引进和团队培养体系

率先突破科技环境建设障碍,支持科技服务实体享受高新企业待遇建立健全科学合理的选人、用人、育人机制,加快培养专业技术人才、经营管理人才、技能人才。鼓励海外专家在研发和产业优势区域创新创业,加强海外人才及创新团队的引进工作;落实混合所有制机构在人才引进、落户等方面的政策;支持科技服务实体享受高新技术企业待遇。落实深化科技成果使用处置和收益管理改革试点,鼓励高等学校、科研院所、国有企业提高职务发明成果所得收益用于奖励研发及成果转化人员的比例。

(4)加强国际与区域交流合作

吸引集聚全球科技资源,开展更深层次、多形式的科技合作。广泛参与高层次国际科技合作,在更高起点上推进自主创新;搭建国际化的技术创新平台、科技服务平台,主动参与国际标准制订,提高国际标准话语权;积极参与和推动国际科技和产业合作,在有明确目标导向的重大应用方面,以应用促发展,引进核心器件等技术再创新,与自主创新同步发展。鼓励企业对接“一带一路”等国家重大战略部署,推进技术研发、标准检测、应用示范、产业化等方面实质性合作。

10.3969/j.issn.1008-892X.2016.11.003

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