在全球低碳節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料憑借其高效率、高密度、高可靠等優(yōu)勢，發(fā)揮出越來越重要的作用。
　　第三代半導(dǎo)體材料優(yōu)勢明顯
　　一般來說，芯片可以分為計算芯片、存儲芯片、傳感芯片、通信芯片、功率芯片、信息處理芯片和光電芯片等幾大類。其中，功率芯片作為用電裝備和系統(tǒng)中的核心芯片，其作用是實現(xiàn)對電能的處理、轉(zhuǎn)換和控制，管理著全球超過50%的電能資源，廣泛用于智能電網(wǎng)、電動汽車、軌道交通、可再生能源開發(fā)、工業(yè)電機、數(shù)據(jù)中心、家用電器、移動電子設(shè)備等國家經(jīng)濟與國民生活的方方面面，是我國工業(yè)體系中不可或缺的一類核心芯片，在全球低碳節(jié)能環(huán)保的進程中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。
　　現(xiàn)有的功率芯片大多基于硅半導(dǎo)體材料，由于材料物理性能的限制，芯片的能效和性能已逐漸接近其極限，難以滿足迅速增長和變化的電能應(yīng)用的新需求。以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料(有時亦被稱為第三代半導(dǎo)體材料)由于禁帶寬度顯著高于硅材料的1.1eV，有著高耐電場和高耐受溫度的特點，基于這些材料的功率芯片也因此表現(xiàn)出以下幾方面巨大的優(yōu)勢：高效率，相同芯片面積的導(dǎo)通損耗比硅基器件低近千倍(在相同的電壓/電流等級);高密度，開關(guān)頻率是硅器件的幾十倍，可以大大減小電能轉(zhuǎn)換電路中儲能元件的體積，從而成倍地減小設(shè)備體積;高可靠，理論上可以在600℃以上的高溫環(huán)境下工作，并有抗輻射的優(yōu)勢，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。
　　因此，寬禁帶半導(dǎo)體功率芯片在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用價值，其中，碳化硅功率芯片被公認為在中等以上功率應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。經(jīng)過近30年的研究和開發(fā)，碳化硅材料和功率芯片技術(shù)在近年開始成熟，并快速地被推廣應(yīng)用，正在掀起一場節(jié)能減排和新能源領(lǐng)域的巨大變革，在電動汽車、新能源并網(wǎng)、高效信息電源以及家用電器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。國際領(lǐng)先企業(yè)紛紛重點部署市場，全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)開始。
　　高質(zhì)量大尺寸是碳化硅材料發(fā)展方向
　　碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體功率芯片的產(chǎn)業(yè)鏈包括碳化硅材料、芯片、封裝測試、系統(tǒng)應(yīng)用四個環(huán)節(jié)。其中，高質(zhì)量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，增大晶圓尺寸、降低缺陷密度和成本是其主要發(fā)展方向。
　　國際上碳化硅單晶材料以6英寸為主流，并開始實現(xiàn)8英寸晶圓的批量生產(chǎn);在我國則以4英寸晶圓為主流，6英寸晶圓實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。在芯片方面，德國英飛凌(Infineon)公司和美國科銳(Cree)公司早在2001年就發(fā)布了碳化硅功率二極管產(chǎn)品，而由于碳化硅晶體管技術(shù)難度大，直到2010和2011年，才由日本羅姆(Rohm)公司和美國Cree公司實現(xiàn)量產(chǎn)。SiC二極管和晶體管(以MOSFET為主)由于其性能優(yōu)越，成為目前產(chǎn)業(yè)化成熟度最高、最受歡迎的碳化硅功率芯片，其市場以每2~3年翻一番的速度迅速成長。目前，國際上主要的碳化硅功率芯片公司有美國Wolfspeed(Cree公司的子公司)、德國英飛凌、日本羅姆、歐洲的意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)、日本三菱，這五家公司占據(jù)了全球市場的約90%。
　　由于其用于電能變換的特點，功率芯片和計算、存儲等芯片在技術(shù)層面上存在著顯著的不同，其主要技術(shù)難點和進步并不依賴于日益精細的工藝線寬，它主要依靠單晶襯底和外延材料的技術(shù)水平、芯片研發(fā)和生產(chǎn)的經(jīng)驗，以及和應(yīng)用環(huán)節(jié)的緊密配合。根據(jù)法國市場調(diào)研Yole公司的預(yù)測，2020年碳化硅功率芯片的市場規(guī)模將達到35億元人民幣，并以超過40%的年復(fù)合增長率繼續(xù)快速增長。預(yù)計到2030年，全球碳化硅功率芯片市場規(guī)模將超過500億元人民幣，并拉動十倍甚至幾十倍規(guī)模的裝備和終端市場。
　　我國碳化硅材料和芯片期待產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
　　在國內(nèi)，“十二五”初期，我國開始布局碳化硅功率半導(dǎo)體芯片的研發(fā)，實現(xiàn)了從無到有的突破。“十三五”期間，我國掀起了碳化硅功率半導(dǎo)體材料和芯片產(chǎn)業(yè)化的浪潮。近年來，在各級政府、各類企業(yè)、科研院所、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等的共同努力下，我國在碳化硅功率半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域取得了初步成效，形成了一定的技術(shù)積累。目前，我國的碳化硅功率芯片產(chǎn)品以二極管產(chǎn)品為主，在晶體管方面，若干單位具備一定的產(chǎn)品開發(fā)能力，正在進入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的初期。在國家科技項目和各級政府的支持下，目前國內(nèi)有多家企業(yè)和平臺正在建設(shè)或已建成多條4~6英寸碳化硅芯片工藝線，這些工藝線的投產(chǎn)，將會大大提升國內(nèi)碳化硅功率芯片的產(chǎn)業(yè)化水平。
　　在取得快速進展的同時，由于起步較晚，我國當前的碳化硅產(chǎn)業(yè)和國際上依然存在較大的差距。為了更快更好地發(fā)展我國碳化硅材料和芯片產(chǎn)業(yè)，可以從以下幾個方面著力推進：
　　一是組織制定中長期發(fā)展規(guī)劃。碳化硅材料和功率芯片技術(shù)的發(fā)展依然需要依靠國家大力支持，只有這樣，才能在落后國際先進水平的情況下奮起直追，打造獨立自主、具有國際競爭力的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈。建議根據(jù)國情和市場需求，編制“中國碳化硅材料和器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃”，對碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)進行有規(guī)劃、分層次、穩(wěn)定的支持。
　　二是形成以企業(yè)為創(chuàng)新主體的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)。我國碳化硅功率芯片產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚未形成。為應(yīng)對國際市場日益嚴峻的競爭壓力，我國在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中應(yīng)以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，以盡快形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)為目標，以企業(yè)為創(chuàng)新主體，加快制定產(chǎn)業(yè)標準，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)地域效應(yīng)和集群效應(yīng)，盡快實現(xiàn)碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。
　　三是構(gòu)建“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展體系。我國碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須堅持自主創(chuàng)新、“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合。目前亟須集中力量、突出重點，發(fā)揮科研院所的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)攻堅和高端人才培養(yǎng)的優(yōu)勢，并使之與企業(yè)緊密結(jié)合，形成自主知識產(chǎn)權(quán)，不斷提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和競爭力，打造一支支撐技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才隊伍。建議在以企業(yè)為創(chuàng)新主體的同時，打造公共創(chuàng)新平臺，促進科研院所和企業(yè)相結(jié)合的創(chuàng)新機制，加快碳化硅材料和功率芯片產(chǎn)業(yè)化進程。
　　四是建設(shè)上下游緊密溝通和合作的完整產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)已有一批碳化硅單晶襯底材料、外延材料、器件設(shè)計和制造工藝的企事業(yè)單位，但離形成完整產(chǎn)業(yè)鏈尚有較大差距。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，以及材料、芯片質(zhì)量評價和性能驗證是環(huán)環(huán)相扣、互相推動的統(tǒng)一整體。我國在產(chǎn)業(yè)鏈上的最大優(yōu)勢是擁有巨大的市場和強勁的應(yīng)用需求，建議在政策引導(dǎo)下，充分發(fā)揮這一優(yōu)勢，以市場需求拉動產(chǎn)業(yè)鏈上游各環(huán)節(jié)，引導(dǎo)各環(huán)節(jié)間實現(xiàn)資源共享、互相促進，形成一個布局合理、結(jié)構(gòu)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
　　五是充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟作用。建議充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的橋梁和紐帶作用，向政府建言獻策、為企業(yè)出謀劃策，一方面向政府反映企業(yè)訴求，優(yōu)化政府政策;另一方面向企業(yè)傳達政府政策，指導(dǎo)企業(yè)科學(xué)發(fā)展和自主創(chuàng)新，有效進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，實現(xiàn)我國碳化硅材料和芯片產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
　　我國碳化硅功率芯片的市場約占據(jù)國際市場的40%~50%。通過有效的中長期發(fā)展規(guī)劃、政府和企業(yè)界的持續(xù)投入、下游市場的有效拉動和產(chǎn)學(xué)研用的緊密配合，我國的碳化硅材料和芯片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化水平有望在未來短時間內(nèi)得到迅速發(fā)展，并在不遠的將來邁入國際先進行列。

浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 盛況 任娜 郭清 楊樹