寬禁帶半導(dǎo)體是什么？多為專家為你解讀！

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，包括電力電子，新能源汽車，光伏，機(jī)車牽引，以及微波通訊器件等，由于它突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸，被業(yè)界一直看好。

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

“寬禁帶有兩個大的發(fā)展空間，一個是高壓跟高溫，應(yīng)用場景包括高鐵等，例如日本第二代高鐵能跑350公里/小時、車輕了11噸，一個重要原因就是借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(wǎng)，電動車/油混車等。” 容志誠認(rèn)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(xiàn)場8位嘉賓的精彩觀點，從寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢說起，討論生態(tài)圈的現(xiàn)狀?面對什么樣的挑戰(zhàn)?需要做什么?

(參與圓桌討論的嘉賓包括： IEEE會士/紐約倫斯勒理工學(xué)院周達(dá)成教授、中國LED產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用聯(lián)盟秘書長關(guān)白玉、工信部電子科技委委員李晉湘、北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體聯(lián)合研究中心主任/北京大學(xué)東莞光電研究院常務(wù)副院長張國義教授、東風(fēng)汽車技術(shù)中心副總工程師羅建武博士、中國寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長單位山東天岳副總裁孫克博士、香港創(chuàng)能動力(APS)創(chuàng)始人總裁周永昌)

【寬禁帶半導(dǎo)體優(yōu)勢四個字：四高一抗】

李晉湘從產(chǎn)業(yè)界角度總結(jié)了“四高一抗”——寬禁帶半導(dǎo)體材料包括器件，有哪四高?高溫、高壓、高規(guī)律、高頻率;抗什么?抗輻射。

記住“四高一抗”。這個優(yōu)勢帶來了新的應(yīng)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(fā)展。

【我們的碳化硅廢品太多都做了叫鋯石的首飾。產(chǎn)業(yè)化技術(shù)要關(guān)注?！?/p>

什么叫產(chǎn)業(yè)化技術(shù)?意思是做的產(chǎn)品不是達(dá)到指標(biāo)就成功了——產(chǎn)品要實現(xiàn)低成本，高效率，質(zhì)量一致性等。李晉湘表示，“我們要非常關(guān)注這一點，這是我們跟國際上最大的短板，是我們在產(chǎn)業(yè)化過程中經(jīng)常跟不上的地方。比如說碳化硅的群體生產(chǎn)效率非常低，跟國際上比，產(chǎn)出合格率很低，所以我們大部分材料做什么呢?做了一種叫鋯石的首飾，在市場看鋯石都是我們碳化硅中的廢品做的。”

這說明我們的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)關(guān)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(lán)寶石是很貴的，是放在高檔手表上的，因為耐磨。后來由于我們產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)突破，現(xiàn)在藍(lán)寶石大量的通過外延技術(shù)，成本已經(jīng)很低了，所以高亮度的LED大量采用藍(lán)寶石襯底。碳化硅同樣是這個問題，技術(shù)的投入是必須的，但是不要忘了產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。”

【碳化硅負(fù)責(zé)高溫，砷化鎵負(fù)責(zé)低壓。】

寬禁帶半導(dǎo)體中，碳化硅和氮化鎵是最多的，以前它們主要針對一些介質(zhì)和高壓的環(huán)境，現(xiàn)在整個基礎(chǔ)設(shè)施，包括像生態(tài)系統(tǒng)都已經(jīng)可以適用各種材料了，周達(dá)成指出，“我總覺得這個趨勢，是碳化硅應(yīng)該是負(fù)責(zé)高溫，而砷化鎵是低壓。”

【要關(guān)注外延生長技術(shù)】

現(xiàn)在大家都在采用MOCVD、HVPE等方法實現(xiàn)外延生長，國際上在研究一些突破性技術(shù)，不用晶體去生長，而在其他的金屬產(chǎn)品、玻璃產(chǎn)品上去構(gòu)建方法同樣得到高性能材料，張國義教授指出，這樣的技術(shù)突破也會對現(xiàn)在的寬禁帶技術(shù)產(chǎn)生重大影響，是我們要關(guān)注的方向。

【氮化物半導(dǎo)體的六個研究方向】

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

對于投資的方向，張國義教授認(rèn)為大家關(guān)注的大部分是發(fā)展和成熟的技術(shù)，而忽略或者不夠重視戰(zhàn)略性投資

【寬禁帶半導(dǎo)體處在爆發(fā)式增長的前期】

寬禁帶半導(dǎo)體有非常優(yōu)異的性能，但是現(xiàn)在整體價格確實很高，下游應(yīng)用目前處在研發(fā)階段，還沒有形成批量產(chǎn)業(yè)化，尤其是在國內(nèi)。孫克博士表示，“國內(nèi)跟國外比還是有一定的差距，但是從整個國際半導(dǎo)體市場來看，我們判斷寬禁帶半導(dǎo)體基本上處在爆發(fā)式增長的前期。”

【材料的制備難度非常大】

基礎(chǔ)材料，尤其是碳化硅材料后端很多工藝難度很大。“做芯片、做模塊可以借鑒硅的技術(shù)，但是材料的制備難度非常大，碳化硅的制備和硅的制備不同，這是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展很核心的障礙。要先解決材料問題，降低材料成本，然后再提高材料的一致性。”孫克博士表示。

現(xiàn)在國內(nèi)下游應(yīng)用還沒有完全起來，像美國、歐洲，很多相對比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)打開，但是國內(nèi)還處在研發(fā)階段，沒有大規(guī)模的生產(chǎn)。我們做出的東西要用到整個大的系統(tǒng)當(dāng)中去，比如在高鐵上應(yīng)用，先期要有示范應(yīng)用。“沒有這種示范應(yīng)用，沒有政府的扶持，想大規(guī)模多批量發(fā)展難度還很大的。” 孫克博士表示。

【在化合物半導(dǎo)體里面，材料是最重要的基礎(chǔ)】

“我來自中國半導(dǎo)體照明LED產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用聯(lián)盟，大家可能想知道這個聯(lián)盟和我們的寬禁帶半導(dǎo)體有什么樣的聯(lián)系?整個半導(dǎo)體領(lǐng)域的產(chǎn)品是多類型的，半導(dǎo)體的二級管、三級管、集成電路、光電器件，傳感器、芯片，還有MEMS等都是半導(dǎo)體器件家族里的，在發(fā)展的過程中它呈現(xiàn)出來的是整個高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的共同的規(guī)律，一個是市場驅(qū)動，一個是技術(shù)遷移。”關(guān)白玉表示。

實際上在整個的發(fā)展過程當(dāng)中，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)最核心的是三點：材料、工藝、檢測。對電子半導(dǎo)體器件來講還要加兩點，在材料的后面要加設(shè)計、在檢測后面要加上應(yīng)用。“在化合物半導(dǎo)體里面，材料是最重要的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在我們用的化合物的材料，在應(yīng)用的過程中存在著很大挑戰(zhàn)的地方，一個是襯底材料/外延材料;另一個是在基礎(chǔ)材料所遇到的晶格匹配和熱匹配，這在全世界都是難題。”關(guān)白玉表示。

【化合物半導(dǎo)體是硅器件的一個延伸，不是一個替代】

“周教授說了一句我覺得挺好的：化合物半導(dǎo)體是硅器件的一個延伸，不是一個替代。”關(guān)白玉指出，現(xiàn)在有許多似是而非的口號，比如說第一代、第二代、第三代，并沒有充分的理由說明斷代的原因是什么，所以在發(fā)展的過程當(dāng)中，不能用斷代的想法禁錮了發(fā)展這個產(chǎn)業(yè)的一些思路。

“在寬禁帶半導(dǎo)體里面的發(fā)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(shù)來支持的;支撐高頻的參數(shù)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系數(shù)。” 關(guān)白玉表示。

【器件廠與車廠，不能是簡單的上下游買賣關(guān)系】

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(yīng)用電力電子的產(chǎn)品，包括電機(jī)驅(qū)動器、車載充電器等，同時汽車要提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，要提高變換器的工作頻率，然后還有減小材料的體積重量;領(lǐng)一方面用傳統(tǒng)的硅器件，冷卻系統(tǒng)要做兩套，一個是為發(fā)動機(jī)做的冷卻系統(tǒng)，另一個要專門為電力電子裝置做冷卻系統(tǒng)，這樣整車系統(tǒng)就搞得特別復(fù)雜。

“特斯拉等車廠陸陸續(xù)續(xù)使用碳化硅，但還沒有廠商向我們推薦。功率半導(dǎo)體的應(yīng)用有別于普通的燈具或者是芯片，車廠在實際應(yīng)用過程中也希望能夠得到功率器件廠家的幫助，而不是簡單的上下游買賣關(guān)系，只有芯片廠和應(yīng)用芯片的廠結(jié)合起來，從性能、封裝、散熱方面緊密的結(jié)合起來，這樣開發(fā)的產(chǎn)品才有一定的生命力。”羅建武表示。

【按產(chǎn)業(yè)規(guī)律來做，特別防止碎片化?！?/p>

寬禁帶的發(fā)展現(xiàn)在很熱，但是要按照它的產(chǎn)業(yè)規(guī)律來做，特別是防止碎片化，出現(xiàn)低水平重復(fù)。李晉湘認(rèn)為它的規(guī)律有兩個：第一，產(chǎn)業(yè)技術(shù)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，跟硅集成電路的規(guī)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。“至少在這三五年里我們不能用集成電路的方法去管理/投資寬禁帶。” 李晉湘認(rèn)為。

他指出第一要考慮集成，材料、設(shè)備、工藝，器件的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用，不像中國這么分散，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(xiàn)大的企業(yè)集團(tuán)全面投資，把寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈牽起來。