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来源:内容来自《新材料产业》2019年第3期,谢谢。


半导体产业是现代信息社会的基石,是支撑当前经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。第3代半导体作为半导体产业的重要组成部分,其发展壮大对国民经济、国防安全、国际竞争、社会民生等领域均具有重要战略意义,是当前世界各国科技竞争的焦点之一。


2018年,美国、欧盟等继续加大第3代半导体领域的研发支持力度,国际厂商积极、务实推进,商业化的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)电力电子器件新品不断推出,性能日益提升,应用逐渐广泛。国内受益于整个半导体行业宏观政策利好、资本市场追捧、地方积极推进、企业广泛进入等因素,第3代半导体产业稳步发展。


技术层面,SiC衬底和外延方面,国内仍然是4英寸为主,已开发出6英寸产品并实现小批量供货;国内批量生产的GaN衬底仍以2英寸为主。国内600 ~3300V SiC肖特基二极管技术较为成熟,产业化程度继续提升,目前也已研制出1200~1700V SiC金氧半场效晶体管(MOSFET)器件,但可靠性较低,目前处于小批量生产阶段;国内全SiC功率模块,主要指标为1200V /50~600A、650V /900A。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)方面,国内2018年推出了650V/10 ~30A的GaN晶体管产品;GaN微波射频器件方面,国产GaN射频放大器已成功应用于基站,Sub 6 GHz和毫米波GaN射频功率放大器也已实现量产。


产业方面,在半导体对外投资受阻情况下,国内自主创新发展是必由之路。2018年,在政策和资金的双重支持下,国内第3代半导体领域新增3条SiC产线。投资方面GaN热度更高,据第3代半导体产业技术创新战略联盟( CASA )不完全统计,2018年国内第3代半导体相关领域共有8起大的投资扩产项目,其中4起与GaN材料相关,涉及金额220亿元。此外,与国际企业并购热潮对比,国内2018年仅有2起。


生产模式上,大陆在第3代半导体电力电子器件领域形成了从衬底到模组完整的产业链体系,器件制造方面以IDM模式为主,且正在形成“设计—制造—封测”的分工体系;大陆代工产线总体尚在建设中,尚未形成稳定批量生产。市场方面,根据CASA统计,2018年国内市场SiC和GaN电力电子器件的规模约为28亿元,同比增长56%,预计未来5年复合增速为38%。Ga N微波射频应用市场规模约为24.49亿元,未来5年复合增速有望达60%。


区域方面,我国第3代半导体产业发展初步形成了京津冀、长三角、珠三角、闽三角、中西部5大重点发展区域,其中,长三角集聚效应凸显,占从2015年下半年至2018年底投资总额的64%。此外,北京、深圳、厦门、泉州、苏州等代表性城市正在加紧部署、多措并举、有序推进。


总体而言,我国第3代半导体技术和产业都取得较好进展,但在材料指标、器件性能等方面与国外先进水平仍存在一定差距,市场继续被国际巨头占据,国产化需求迫切。


 国内各级政策频出,旨在实现自主可控


 科技计划实施,阶段成果喜人


2016年至今,中华人民共和国科学技术部先后支持第3代半导体和半导体照明相关研发项目32项,其中,2018年启动7项,包括“新能源汽车”、“战略性先进电子材料”以及“智能电网技术与装备”3个重点专项(见表1)。且上述专项都结合了具体应用需求,对第3代半导体材料、器件研发和应用给予全面支持。


表1 2018 年度国家重点研发计划重点专项



截至目前,部分前期部署的项目已获得阶段研发成果。具体如下:制备出低缺陷6英寸N型SiC单晶衬底样品,微管密度≤ 1个/ cm2,电阻率≤ 30mΩ·cm,已达到“开盒即用”要求;解决了大尺寸晶体单一晶型控制技术,获得低应力4H—SiC晶型,电阻率≤ 30mΩ·cm,电阻率不均匀性小于10%。Si基GaN材料外延生长与器件研制取得重要突破,通过调控应力与抑制缺陷,在Si衬底上外延生长出无裂纹的GaN材料,晶体质量达到国际领先水平,并在国际上首次澄清了C杂质在GaN中替代N位,成功研制了国际首支Si衬底GaN基激光器,并实现了室温连续电注入激射,采用p—GaN栅极结构研制出常关型GaN基HEMT器件,器件阈值电压+ 2.0V和沟道迁移率1 500cm2/(V·s),达到国际先进水平。实现国产射频芯片批量商用,成功研制了10W的毫米波GaN功率MMIC,器件效率超过67%,宽带器件效率超过61.5%,线性增益15d B;MTTF@225 ℃,超过100万h,器件可靠性达到国际领先水平;已在5 000余台商用基站中使用了4万多只国产GaN器件。研制出GaN基高效黄光LED(电光转换效率从2016年初的15%提升至目前的26.52%,565n m @20A / cm2),并基于这一成果,研发了五基色LED光源,色温2 941K,显指高达97.5,效率121.3lm/W,达到了实用化水平。


 各级政府政策频出,精准支持强化


2018年以来,从中央到地方政府对集成电路、第3代半导体均给予了高度重视,纷纷出台相关产业发展扶持政策。从政策的出台部门和发布时间密度可以看出,国家正在大力发展半导体产业,且集成电路是各级政策的支持重点。


中央部委全方位支持集成电路产业发展


2018年,国务院及工业和信息化部(简称“工信部”)、国家发展和改革委员会(简称“国家发改委”)、财政部、国家税务总局、中国证券监督管理委员会等国家部委先后从产业发展、科研管理、税收政策、知识产权转移、资产证券化、对台合作等多方面出台政策,全方位支持集成电路及相关产业发展(见表2)。


表2 2018 年国家部委关于集成电路产业的扶持政策汇总




地方政府积极出台半导体产业扶持政策


据不完全统计,2018年,包括北京、上海、深圳等超过13个地方政府出台了支持半导体,特别是集成电路产业发展的产业政策,以培育经济增长新动能,抢占半导体产业新一轮发展先机(见表3)。


表3 2018 年各地半导体产业支持政策汇总




其中,2018年8月,深圳坪山区发布《深圳市坪山区人民政府关于促进集成电路第3代半导体产业发展若干措施(征求意见稿)》(简称《措施》),该《措施》从产业资金、发展空间、企业落地、人才队伍、核心技术攻关、产业链构建等方面对第3代半导体产业进行全方位支持。


为深入实施《北京市加快科技创新发展新一代信息技术等十个高精尖产业的指导意见》,2018年11月,北京顺义区出台了《顺义区促进高精尖产业发展实施意见(简称“《实施意见》”)》,该《实施意见》涵盖5大方面18项支持政策,全力吸引高端人才入区,加速科技成果转化,实现包括第3代半导体在内的高精尖产业快速健康发展。另据消息称,中关村国家自主创新示范区管委会与北京市顺义区政府正在联合制定促进第3代等先进半导体产业发展的相关政策,上述文件若出台,将对第3代半导体产业在北京顺义实现快速集聚发展提供有力条件保障。


此外,2018年12月,江苏省张家港市召开《张家港市化合物半导体产业发展规划》发布会,该规划结合国内外化合物半导体产业发展现状和趋势,明确了张家港未来5年化合物半导体产业发展战略定位、发展目标、发展原则、空间承载和重点任务,并提出了张家港在半导体照明、化合物功率半导体、集成光电等方向的发展重点和差异化实施路径,并从组织保障、资金支持、人才支撑、创新生态等方面提出了保障措施。


 国内技术稳步提升,商用产品陆续推出


 材料品质提升,支持国产应用


 SiC 衬底方面


国内仍然是4英寸为主,6英寸衬底已开始小批量供货,6英寸衬底的微管密度控制在5个/ cm2以下。目前已经开发出低缺陷密度6英寸碳化硅(SiC)N型衬底,SiC衬底材料的微管密度(MPD)低于1个/ cm2。SiC外延片方面,实际用于器件生产的4英寸外延片最大厚度约50μ m,国内已开始小批量生产6英寸SiC外延片。


 GaN 衬底方面


国内批量生产的衬底以2英寸为主,位错密度已经降到105/ cm2,实验室里可以降到104/ cm2。已开发出自支撑4英寸衬底,缺陷密度降到106/cm2。


GaN 异质外延方面


国内多家企业研制出8英寸Si基GaN外延片,耐压在650V /700V左右,SiC和蓝宝石衬底的GaN外延片的尺寸可达6英寸。


Ga2O3 衬底方面


国内仍处于研究阶段。山东大学晶体材料国家重点实验室首次获得了机械剥离技术,一步法获得高质量单晶衬底,但对于大尺寸衬底的CMP加工技术仍处于研究阶段。


Ga2O3 外延方面


目前受限于β—Ga2O3单晶衬底的尺寸,同质外延片的尺寸在2英寸以内,主要采用MBE的方式进行,但MOCVD已开始被用于MOSFET器件结构的同质外延;异质外延主要采用蓝宝石衬底,有利于实现Ga2O3薄膜的大尺寸、低成本制备。


 器件成熟不同,产品陆续推出


SiC 器件方面

国内600 ~3 300V SiC肖特基二极管技术较为成熟,产业化程度继续提升。目前已研制出了1 200 ~1 700V SicmOSFET器件,因可靠性问题尚未完全解决,目前处于小批量生产阶段。


SiC 模块方面


国内2018年推出1200V/50 ~600A、650V/900A全SiC功率模块。


GaN 电力电子器件方面


国内推出了650V /10 ~30A的GaN晶体管产品。国内某知名化合物半导体代工企业在2018年四季度完成650V GaN电力电子器件生产工艺。



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