2009年9月,奥巴马政府颁布了《政府的创新议程》,期待以新能源革命作为整个国家工业和经济体系转换的推动力,通过多种措施,大力发展新能源、节能环保、新一代信息与网络技术、生物技术、航空航天及海洋等新兴产业,抢占国际金融危机催生下的世界新一轮科技与产业革命的制高点。
所有这些新兴产业的核心就是宽禁带半导体技术,新能源产业需要逆变器、节能环保需要节能电机、信息技术需要高效率的集成电路、航空航天需要更小巧的零部件。除此之外,以国防军工为代表的传统产业,如果想要提升产业水平,同样需要新一代的半导体技术。
为此,2013年5月9日,美国奥巴马政府宣布成立三个新的国家制造业创新学院,分别是“数字化制造和设计创新”(DMDI)学院、“轻量制造和现代金属制造创新”(LM3I)学院及能源部领导的“清洁能源制造创新学院”。美国能源部网站显示,“清洁能源制造创新学院”将重点聚焦“宽禁带(WBG)半导体电力电子器件”技术的研究和发展,认为该技术将广泛应用于多个行业和市场,具备变革性的突破力量,将其上升到国家战略的高度,确保美国在这一领域的优势地位。
与美国相比,中国显然还没有足够意识到宽禁带半导体技术所能带来的扭转
乾坤的力量。国内虽然对SiC和GaN等宽禁带半导体材料的性质有一定的研究,但在产业化方面远远落后于美国、日本、韩国和欧洲。特别是在最核心的晶体生长领域,由于该技术涉及国防,美国等西方国家对中国实行禁运,中国只能依靠自主研发,实现技术上的突破,目前仅有屈指可数的几家企业拥有基本的技术能力,在相关的电子器件方面就更不用提了,几乎完全依赖于国外进口。宽禁带半导体技术关系着国家的未来,其技术水平的高低将直接影响中国工业未来的发展进程。相信政府和市场终将认识到这一技术的重要性,宽禁带半导体,一个新的时代即将来临!
材料 碳化硅和氮化镓最有前景
第三代半导体中SiC(碳化硅)单晶和GaN(氮化镓)单晶脱颖而出,最有发展前景。第三代半导体主要包括SiC单晶、GaN单晶、ZnO单晶和金刚石,其中又以SiC和GaN为最核心的材料。SiC拥有更高的热导率和更成熟的技术,而GaN直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异,在光电领域,GaN占绝对的主导地位,而在其他功率器件领域,SiC适用于1200V以上的高温大电力领域,GaN则更适用900V以下的高频小电力领域。目前来看,未来2-3年内,两者仍然难分高下。
应用 有望全面取代传统半导体
宽禁带半导体应用领域宽广,未来有望全面取代传统半导体。(1)耐高温使得宽禁带半导体可以适用于工作温度在650℃以上的军用武器系统和航空航天设备中;(2)大功率在降低自身功耗的同时提高系统其它部件的能效,可节能20%-90%;(3)高频特性可以极大提高雷达效率,在维持覆盖的前提下减少通信基站的数量,更可以实现更高速IC芯片的制造;(4)宽禁带使得高亮度白光LED照明成为可能,同时可降低电力损耗47%;(5)抗辐射可以减少设备受到的干扰,延长航空航天设备的使用寿命的同时极大的降低重量。
拐点 市场拐点或将在2015年
晶圆制造工艺成熟度加快,新型功率器件研发加速,市场拐点或将出现在2015年,市场规模将加速增长。预计晶圆制造工艺在未来2~3年会有大幅改进,产量的增加将使得成本快速下降,2015年SiC器件价格有望下降到2012年的一半左右,GaN器件的价格也可能进一步下降,IMS预计2015年SiC和GaN功率器件市场规模有望接近5亿美元,2020年将达到20亿美元,相比2012年提高20倍。其中,增长最快的应用市场可能是UPS与电动汽车,工业驱动器、PV逆变器次之。