我国发展碳化硅宽禁带半导体材料的机遇与挑战

2018年7月14日，2018中国材料大会(CMRS)各分会场会议交流继续进行。本次大会共设35个分会场，仪器信息网编辑走入D11.半导体材料与器件分会场，为读者带来有关半导体行业发展的一场报告。该报告是由中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟秘书长陆敏带来的《碳化硅半导体技术与产业发展态势》。报告详述了碳化硅宽禁带半导体材料在国内外不同领域的应用情况和发展趋势，以及介绍了中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟在碳化硅半导体产业中有关标准制定的一些工作，提出了我国在该领域所面临的机遇和挑战，引发了广大半导体从业者的讨论和深思。

碳化硅宽禁带半导体材料在军用、民用领域的核心应用

碳化硅宽禁带半导体材料的应用主要分布在，电力电子器件，新能源汽车，光伏，机车牵引，以及微波通讯器件等领域。

在微电子领域，碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补，氮化镓半导体材料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，则是碳化硅的天下。1200V以上的碳化硅应用领域有新能源汽车，光伏，机车牵引，智能电网等，高铁机车的牵引电压在6500V以上，地铁则一般在3300V左右。

我国新能源汽车产业正不断蓬勃发展，去年的销量约在80万辆，今年预计会超过100万辆。推广新能源汽车最主要的目的是降低CO2的排放。迄今为止，日本丰田公司推出的油电混合动力汽车已销售超过1100万辆，共计约减少7700万吨CO2的排放。目前，主流发达国家都在推广这类新能源汽车。国家发展和改革委员会也制定了新能源汽车的发展计划，每五年的销量应有成倍的上升。未来，在包括车用，辅助设施，充电桩等的整个新能源汽车产业，均会成为支撑碳化硅在中高电压领域高端应用的重要组成部分。新能源汽车目前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，而快充技术的实现就需要用到高压碳化硅半导体器件。电动汽车主要有三大部件：一是电池，二是电机控制部分，三是电机。从电池到电机的驱动，中间很重要的衔接环节就是电机控制部分，它需要专门器件碳化硅MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)去转换。丰田的凯美瑞车型就使用了碳化硅半导体模块，核心器件均为碳化硅半导体材料制备。特斯拉的Model 3型汽车车，也全部使用了碳化硅半导体模块，每辆车会用到24个碳化硅模组，现今在道路上行驶的Model 3车辆中该碳化硅模块的数量约为100万。

碳化硅半导体在军事、航天上也有许多应用，不管是电力电子，还是微波设备，在军工领域均有大量应用。微波器件领域是整个碳化硅器件应用的一个细分市场。微波通讯在军用领域的一个典型应用是相阵控雷达，像美国的F/A-18战斗机，已经装备了碳化硅衬底外延氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管);还有地基导弹系统，像萨德系统中的核心器件就是碳化硅衬底外延氮化镓的HEMT，美军已基本全面装备使用，而我国仍未完全立项，不过相信出于战略上的考虑也会加快推进实行。军事应用是由于战略的需求，但该领域市场规模应该不会太大。射频微波领域对应于民用就是通讯领域，也是整个碳化硅半导体产业应用增长的关键领域。2018年6月，首个完整版全球统一5G标准正式出炉，相信5G通讯的应用，也会大大推动碳化硅半导体产业化的进程。

光伏领域是目前碳化硅器件最大的应用市场，之后是新能源汽车领域，应会逐渐超过光伏领域。

其他的应用方向像LED产品已实现产业化，是非常大的一个应用领域，专利主要是被美国的科锐公司所控制。

在对2017年国内碳化硅第三代半导体产业产值的统计中，衬底约有1.65亿元，外延、器件、装置的总产值依次升高，分别达2.76亿元、6.92亿元、28.98亿元。总体来看，微波射频应用的产值相较电子电力应用占多数，其产量高，产值大的原因是军事上应用的微波器件。由于军方应用额度毕竟有限，而民间应用市场将会更大，因在2018年产值统计的结果和态势会有明显变化。相信2018年电力电子领域会出现更多的应用和更大的拓展。

根据美国YOLE公司的统计，2015年电子电力器件用导电型碳化硅衬底约有12万片，预计到2021年，会达到约40万片。美国科锐公司是全球最大的碳化硅衬底企业，拥有1000多台半导体晶体炉，一台的产能约为每年500~1000片，全年可生产约100万片，考虑成品率，一年的成品约为几十万片，可由此推算出市场的大致规模。国内所有的半导体晶体炉约二三百台，在世界范围所占比例较低。

国内外第三代半导体产业发展政策情况

我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展第三代半导体产业。特别设立的国家新材料产业发展领导小组有两位第三代半导体领域的专家，由此可见国家对第三代半导体产业的发展相当重视。北京也有对于第三代半导体产业发展的相关政策，北京目前定位为全国科技创新中心，该职能的实现需要通过一些产业的支撑，北京现正在大力扶持高精尖产业，第三代半导体产业也是其中很重要的一项。希望未来能见到其他各省市都会出台类似政策，来推动第三代半导体产业的研究和发展。

国际上也有类似政策，美国总统奥巴马主导成立第三代半导体产业联盟，欧洲的Smart PM(Smart Powe Management)组织，日本的“首相战略”等，均瞄准并投入巨资推动第三代半导体产业的研究与发展。大力发展第三代半导体产业已在国内外达成共识，不仅停留在产业研究的初期，更呈现产业的一个爆发态势。

面临的机遇和挑战

一个产业的发展与两个方面有关：一个是技术层面，另一个重要问题就是产业的生态环境。为建立这样一个产业环境，中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟应运而生。标准是彼此之间沟通的平台，产业环境问题的核心是搭建一个成熟的标准体系，产业标准、技术标准等均是支撑产业份额扩大不可或缺的要素。

世界有两大类标准体系：一类是政府类的标准，例如世界三大标准化组织，ISO、IEC、ITU，这些是美国推行的标准体系;还有一类是以市场为主体，来源于实体的一些标准，例如企业标准和团体标准。国际上常见的IEEE，semi，Bluetooth，中关村标准等，均是团体标准，但它同样担当着国际标准的作用。这类标准在国际上更有生命力和市场，因为它是产业一线从业者制定的标准。

《中国人民共和国标准化法》不久前通过了修订，在我国的标准体系中，原先只有国家标准，地方标准，行业标准和企业标准，新的标准化法特别提出了团队标准。团队标准需要产业联盟，社会团体等一些非营利性团体来制定。中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟目前也是国家标准化管理委员会认定的团队标准制定单位，目前也在做一些工作来帮助这个产业的发展，以使半导体产业在标准制定方面有更多的机会。

迄今为止， 在碳化硅半导体领域，国际标准、国家标准、行业标准经过统计共有16项，远远滞后于该行业的发展，这对整个市场的秩序及行业的发展是很不利的，因此标准化制定这项工作大有可为。这16项标准基本均发布于近几年，所以近年来碳化硅半导体产业陆续发展了起来。硅材料，是一个比较成熟的材料体系，与硅材料相关的标准约有二百余项，国家标准、行业标准，制定的时间跨度长达三四十年。因此碳化硅与硅材料领域相比，标准体系对产业的支撑是远远不够的，这对以联盟为依托的行业及企业而言，是一个难得的机遇。

制定标准相当于是制定市场规则，制定市场规则相当于在市场上会拥有更好的话语权和引导力。通过这一机遇，可以依托产业联盟、或其他社会团体，来健全第三代半导体产业的团队标准体系，以更好地支持这个行业的健康发展，提升国家在该领域的市场竞争力。我国是全球最大的市场，但问题的核心在于市场上出售谁家的产品，因此拥有更大的话语权是十分重要的，制定标准就是制定话语权。