寬禁帶半導體是什麼?該如何理解它比較好?

寬禁帶半導體是什麼？該如何理解它比較好？

工程師譚軍 發表於 2018-10-10 16:57:40

　　第三代寬禁帶半導體材料被廣泛應用在各個領域，包括電力電子，新能源汽車，光伏，機車牽引，以及微波通訊器件等，由於它突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸，被業界一直看好。

　　在前不久2018年國際泛半導體投資論壇上，華登國際合伙人、中電華登信息產業基金首席投資官容志誠先生主持了一場圓桌討論，和業界領袖嘉賓共同探討了寬禁帶在中國的發展。

　　「寬禁帶有兩個大的發展空間，一個是高壓跟高溫，應用場景包括高鐵等，例如日本第二代高鐵能跑350公裡/小時、車輕了11噸，一個重要原因就是藉助新材料提供耐高溫高壓的性能，可靠性大大提高、性能也大大提高，重量大大減低。還有國家智能電網，電動車/油混車等。」 容志誠認為，「另外一個方向是通信，從5G到毫米波的高頻趨勢，如下圖所示。」

　　在此分享現場8位嘉賓的精彩觀點，從寬禁帶半導體的優勢說起，討論生態圈的現狀？面對什麼樣的挑戰？需要做什麼？

　　（參與圓桌討論的嘉賓包括： IEEE會士/紐約倫斯勒理工學院周達成教授、中國LED產業與應用聯盟秘書長關白玉、工信部電子科技委委員李晉湘、北京大學寬禁帶半導體聯合研究中心主任/北京大學東莞光電研究院常務副院長張國義教授、東風汽車技術中心副總工程師羅建武博士、中國寬禁帶功率半導體產業聯盟理事長單位山東天嶽副總裁孫克博士、香港創能動力（APS）創始人總裁周永昌）

　　【寬禁帶半導體優勢四個字：四高一抗】

　　李晉湘從產業界角度總結了「四高一抗」——寬禁帶半導體材料包括器件，有哪四高？高溫、高壓、高規律、高頻率;抗什麼？抗輻射。

　　記住「四高一抗」。這個優勢帶來了新的應用，功率器件肯定是要高功率、耐高溫。通信，特別是5G要向高頻發展。

　　【我們的碳化矽廢品太多都做了叫鋯石的首飾。產業化技術要關注。】

　　什麼叫產業化技術？意思是做的產品不是達到指標就成功了——產品要實現低成本，高效率，質量一致性等。李晉湘表示，「我們要非常關注這一點，這是我們跟國際上最大的短板，是我們在產業化過程中經常跟不上的地方。比如說碳化矽的群體生產效率非常低，跟國際上比，產出合格率很低，所以我們大部分材料做什麼呢？做了一種叫鋯石的首飾，在市場看鋯石都是我們碳化矽中的廢品做的。」

　　這說明我們的產業化技術關注投入不夠。「這樣高的成本，雖然性能很好，但大家是用不起的。」 李晉湘指出，「以前藍寶石是很貴的，是放在高檔手錶上的，因為耐磨。後來由於我們產業化的技術突破，現在藍寶石大量的通過外延技術，成本已經很低了，所以高亮度的LED大量採用藍寶石襯底。碳化矽同樣是這個問題，技術的投入是必須的，但是不要忘了產業化技術。」

　　【碳化矽負責高溫，砷化鎵負責低壓。】

　　寬禁帶半導體中，碳化矽和氮化鎵是最多的，以前它們主要針對一些介質和高壓的環境，現在整個基礎設施，包括像生態系統都已經可以適用各種材料了，周達成指出，「我總覺得這個趨勢，是碳化矽應該是負責高溫，而砷化鎵是低壓。」

　　【要關注外延生長技術】

　　現在大家都在採用MOCVD、HVPE等方法實現外延生長，國際上在研究一些突破性技術，不用晶體去生長，而在其他的金屬產品、玻璃產品上去構建方法同樣得到高性能材料，張國義教授指出，這樣的技術突破也會對現在的寬禁帶技術產生重大影響，是我們要關注的方向。

　　【氮化物半導體的六個研究方向】

　　張國義教授的研究方向是氮化物半導體，他認為有六個方向是最的關注的：一是半導體照明;二是功率器件;三是雷射顯示/雷射器;四是紫外，即深紫外的探測和發光器件，包括到UAC，五是稀磁半導體和自旋半導體——這對電子行業也是一個顛覆性的技術;六是全光伏太陽能電池。這六個是特別值得關注的地方。

　　對於投資的方向，張國義教授認為大家關注的大部分是發展和成熟的技術，而忽略或者不夠重視戰略性投資

　　【寬禁帶半導體處在爆發式增長的前期】

　　寬禁帶半導體有非常優異的性能，但是現在整體價格確實很高，下遊應用目前處在研發階段，還沒有形成批量產業化，尤其是在國內。孫克博士表示，「國內跟國外比還是有一定的差距，但是從整個國際半導體市場來看，我們判斷寬禁帶半導體基本上處在爆發式增長的前期。」

　　【材料的製備難度非常大】

　　基礎材料，尤其是碳化矽材料後端很多工藝難度很大。「做晶片、做模塊可以借鑑矽的技術，但是材料的製備難度非常大，碳化矽的製備和矽的製備不同，這是制約產業發展很核心的障礙。要先解決材料問題，降低材料成本，然後再提高材料的一致性。」孫克博士表示。

　　現在國內下遊應用還沒有完全起來，像美國、歐洲，很多相對比較成熟的應用領域已經打開，但是國內還處在研發階段，沒有大規模的生產。我們做出的東西要用到整個大的系統當中去，比如在高鐵上應用，先期要有示範應用。「沒有這種示範應用，沒有政府的扶持，想大規模多批量發展難度還很大的。」 孫克博士表示。

　　【在化合物半導體裡面，材料是最重要的基礎】

　　「我來自中國半導體照明LED產業與應用聯盟，大家可能想知道這個聯盟和我們的寬禁帶半導體有什麼樣的聯繫？整個半導體領域的產品是多類型的，半導體的二級管、三級管、集成電路、光電器件，傳感器、晶片，還有MEMS等都是半導體器件家族裡的，在發展的過程中它呈現出來的是整個高技術產業的共同的規律，一個是市場驅動，一個是技術遷移。」關白玉表示。

　　實際上在整個的發展過程當中，傳統產業最核心的是三點：材料、工藝、檢測。對電子半導體器件來講還要加兩點，在材料的後面要加設計、在檢測後面要加上應用。「在化合物半導體裡面，材料是最重要的基礎。現在我們用的化合物的材料，在應用的過程中存在著很大挑戰的地方，一個是襯底材料/外延材料;另一個是在基礎材料所遇到的晶格匹配和熱匹配，這在全世界都是難題。」關白玉表示。

　　【化合物半導體是矽器件的一個延伸，不是一個替代】

　　「周教授說了一句我覺得挺好的：化合物半導體是矽器件的一個延伸，不是一個替代。」關白玉指出，現在有許多似是而非的口號，比如說第一代、第二代、第三代，並沒有充分的理由說明斷代的原因是什麼，所以在發展的過程當中，不能用斷代的想法禁錮了發展這個產業的一些思路。

　　「在寬禁帶半導體裡面的發展策略很重要。比如材料方面的大功率，可分解成高電壓和大電流，是寬禁帶的參數來支持的;支撐高頻的參數是材料的特性電子遷移率，這個是耐;高溫實際上材料擁有好的溫度係數。」 關白玉表示。

　　【器件廠與車廠，不能是簡單的上下遊買賣關係】

　　汽車對高頻和高溫的這兩個需求是非常旺盛的，羅建武指出。

　　他解釋道，一方面，汽車電動化要大量應用電力電子的產品，包括電機驅動器、車載充電器等，同時汽車要提高電機的轉速，要提高變換器的工作頻率，然後還有減小材料的體積重量;領一方面用傳統的矽器件，冷卻系統要做兩套，一個是為發動機做的冷卻系統，另一個要專門為電力電子裝置做冷卻系統，這樣整車系統就搞得特別複雜。

　　「特斯拉等車廠陸陸續續使用碳化矽，但還沒有廠商向我們推薦。功率半導體的應用有別於普通的燈具或者是晶片，車廠在實際應用過程中也希望能夠得到功率器件廠家的幫助，而不是簡單的上下遊買賣關係，只有晶片廠和應用晶片的廠結合起來，從性能、封裝、散熱方面緊密的結合起來，這樣開發的產品才有一定的生命力。」羅建武表示。

　　【按產業規律來做，特別防止碎片化。】

　　寬禁帶的發展現在很熱，但是要按照它的產業規律來做，特別是防止碎片化，出現低水平重複。李晉湘認為它的規律有兩個：第一，產業技術是在逐步成熟的過程;第二，它的市場目前來看是一個利基市場，跟矽集成電路的規模沒法比。

　　寬禁帶功率器件的市場全球大概不超過10億美金，射頻器件大概也是這個量，而集成電路是幾千億美金。「至少在這三五年裡我們不能用集成電路的方法去管理/投資寬禁帶。」 李晉湘認為。

　　他指出第一要考慮集成，材料、設備、工藝，器件的結構設計/封裝要一體化，例如美國、日本公司都是一個公司包攬從材料、器件到應用，不像中國這麼分散，做襯底的冒出來十多家公司，做外延的又冒出來十多家，太多的投資公司搞亂了市場。所以中國急需要出現大的企業集團全面投資，把寬禁帶半導體產業鏈牽起來。

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