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最全中国第三代半导体SiC/GaN产业发展介绍-2020年

发布时间: 2021-05-29 浏览次数:
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作者:于灏、蔡永香、卜雨洲、谢潜思

来源:北京新材料发展中心  长沙力高捷创仪器有限公司编辑整理

第3代半导体是指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、金刚石、氧化锌(ZnO)为代表的宽禁带半导体材料,各类半导体材料的带隙能比较见表1。与传统的第1代、第2代半导体材料硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比,第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力,是世界各国半导体研究领域的热点。

一、主要应用领域的发展概况

目前,第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命,无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品,都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同(见图1)。

图1. 第3代半导体各应用领域示意图

1.半导体照明

在4个应用领域中,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的产业规模。半导体照明所使用的材料体系主要分为3种:蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN,每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高,但由于散热较好,非常适合制造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3种材料体系中制造成本最低的,适用于低成本显示。

2.电力电子器件

在电力电子领域,宽禁带半导体的应用刚刚起步,市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域,正逐步向民用领域拓展。微波器件方面,GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来,GaN微波器件有望用于4G~5G移动通讯基站等民用领域。功率器件方面,GaN和SiC两种材料体系的应用领域有所区别。Si基GaN器件主要的应用领域为中低压(200~1 200V), 如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源;而SiC基GaN则集中在高压领域(>1 200V),如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。

3.激光器和探测器

在激光器和探测器应用领域,GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围,实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘,其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外,紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用,总计市场容量为12亿美元。蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起,实现全真彩显示,使激光电视实现广泛应用。目前,蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,但尚未实现产业化。

4.其他应用

在前沿研究领域,宽禁带半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介、及其他一些新兴应用,目前这些热点领域还处于实验室研发阶段。

在以上4个应用领域中,半导体照明和电力电子器件2个领域成为了2014年初关注焦点。前者是因为美国“白炽灯”禁令于2014年1月1日开始实施,停止销售市场最畅销的40W和60W白炽灯,此举旨在推广紧凑型荧光灯、LED灯和其他高能效比节能灯泡。随着世界各国相继出台全面淘汰白炽灯的政策法规,预计2014年将成为半导体照明近期发展最快的一年。后者是受到美国政府“国家制造业创新网络”计划的影响。2014年1月15日,奥巴马总统宣布成立“新一代电力电子器件国家制造创新中心”,在未来5年内,该中心通过美国能源部投资7 000万美元,带动企业和研究机构投入7 000万美元以上匹配资金,致力于研发和制造高性能并具有价格竞争优势的半导体电力电子器件。中心将由美国北卡罗来纳州立大学领导,会同阿西布朗勃法瑞公司(ABB)、科锐公司(Cree, Inc)、射频微器件公司(RF Mico Devices, Inc.)、台达公司(Delta Products Inc.)、阿肯色电力电子国际公司(Arkansas Power Electronics International, Inc.)、东芝国际公司(Toshiba International Corporation)、美国海军研究实验室(U.S. Naval Research Laboratory)等超过25家公司、大学及政府机构,此举将极大地加速宽禁带半导体电力电子器件在民用领域的应用,并引发全球的关注。基于这些原因,本文将重点对上述2个领域近期的发展情况进行进一步的介绍。

二、半导体照明

随着照明科技的不断进步,半导体发光二极管(LED)作为一种固体照明光源,以其高光效、长寿命、节能环保、应用广泛等诸多优势,正在逐步替代传统的白炽灯,成为继白炽灯、荧光灯之后的又一次光源革命。LED灯比传统的白炽灯发光效率高80%左右,寿命长2倍,且不含汞、铅等有害物质,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。根据美国能源部研究报告,一个价值15美元的LED灯,在其生命周期内,将比白炽灯节省超过140美元的电费。

近年来,随着LED发光效率的大幅度提升,单位流明的价格逐步下降,各类创新产品不断涌现,照明质量不断提高。其应用已从最初的指示灯,逐步拓展到室内照明、舞台照明、景观照明等各个照明领域。目前,照明耗能约占整个电力消耗的20%左右,降低照明用电已成为节省能源的重要途径。为此,发达国家纷纷宣布白炽灯淘汰计划,积极推广LED照明,应对逐年的全球温室效应。美国、欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、韩国等国相继宣布停止销售白炽灯。我国也将于2012-2016年,逐步淘汰白炽灯。

1.国外LED产业发展概况

美国是半导体照明技术的领跑者,一直处于技术和产业的领先地位。为了减少照明电力的能源消耗,缓解能源枯竭,美国能源局自2000年就开始推动固态照明技术研究,逐步实现固态照明对传统照明的替代。随后,奥巴马的“美国能源新政”把发展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推动能源结构的调整作为促进美国经济复苏和创造就业最重要的举措。半导体照明技术被认为是能源应用领域中重要的技术创新之一,在美国能源结构的转型中发挥重要作用。

美国能源部的固态照明发展战略规划共获得美国国会2.98 亿美元的拨款,资助了超过200个研究项目。此计划取得了显著的经济和社会效益,根据相关研究报道,2012年LED灯为美国节省了71万亿BTU(英国热量单位),相当于节省了6.75亿美元的能源开支。预计2030 年美国 LED照明的普及能够将能源消耗节省近半,2010-2030年期间所节省的累计电量将达2 700TWh,相当于剩下2 500亿美元的开销,也等同于18亿t二氧化碳排放量(见图2)。

除美国以外,其他发达国家也积极推动LED产业的发展。日本早在1998年就推出了“21世纪光计划”,投入60亿日元用于开发白光LED照明光源,计划在2020年实现100%的照明产品为新一代高效率照明。欧洲则于2000年开始的“彩虹计划”,通过欧盟补贴来推广LED的应用。在随后推出的“地平线2020”计划中,固体照明和OLED都被囊括其中,光电子领域的投入将达到7亿欧元。韩国在2002年提出“GaN半导体开发计划”,国家投入1亿美元推动LED照明发展。在随后的“15/30计划”中,又投入50亿韩元经费,进行LED照明的标准规范拟定作业,并规划在2015年前将境内30%的照明淘汰换成LED照明。

图2 美国能源部LED照明预测图

2.中国LED产业概况

我国LED产业起步于20世纪70年代,发展迅速。在政府的大力扶持下,经过30多年的发展,已经初步形成了外延片、芯片、封装及产品应用完成产业链,成为全球照明产业变革中转型升级发展最快的区域之一。通过科技部推出的“十城万盏”半导体照明应用示范工程,截至2011年底,已经有420万盏以上LED灯具得到示范应用,实现年节电4.2亿kWh。根据国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)的最新数据显示,2013年,我国功率型白光LED产业化光效达140 lm/W,拥有自主知识产权的功率型硅基LED 芯片产业化光效达到130 lm/W,芯片的国产化率达到75% 。

2013 年,我国半导体照明产业整体规模达到2 576 亿元,较2012 年的1 920 亿元增长34%。其中上游外延芯片生产产值规模达到105亿元,增长率为31.5%;中游封装产业规模达到403 亿元,增长率为26%;下游应用领域整体规模达到2 068 亿元,增长率达到36%。根据联盟预计,2014 年,国内半导体照明产业将继续保持高速增长,预计增长率达到40%左右。外延芯片产值增长率预计达到35%左右,封装产业预计增速在20%左右,应用环节产值增长率超过50%。

3.未来技术及产业发展方向

现阶段LED灯的整体发光效率可达130~160 lm/W,已经具有取代传统照明市场实力,预计发光效率还将快速提升,2015年将达到160~190 lm/W,2020年将达到235 lm/W左右(见表2)。目前,制约LED大规模应用的关键仍然是价格因素。虽然在过去的5年中,LED照明产品的售价有了大幅度的下降,但和普通的节能灯相比仍不具备价格优势(见图3)。近几年来,随着生产成本下降和资本大量流入的影响,这种局面开始产生变化,LED照明与传统照明产品之间的价格差距正在逐渐缩小。2013年末到2014年初,在许多国家和区域,无论是取代40W或是60W的LED灯最低售价都已经跌破10美元,全球这两种LED灯平均价格也分别下降到15美元和21美元的低位。许多人认为10美元的价格区间将是家庭住宅大规模选择使用LED灯具的一个关键转折点,因此2014年很有可能将成为LED照明需求快速增长的一年,成为LED照明产品的拐点年。预计2014年LED照明渗透率也将由8%~10%提升至32.7%,LED照明市场产值达到为353亿美元,较2013年成长 47.8%。到2020年,全球LED照明市场份额有望增长到840亿美元。

图3 取代60W的LED球泡灯价格预期

三、电力电子器件

在20世纪,硅基半导体电力电子器件被广泛应用于计算机、通信和能源等行业,为人们带来了各种强大的电子设备,深刻地改变着每一个人的生活,在过去的几十年中一直推动着科学的进步和发展。随着硅基电力电子器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性,给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子元件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。基于这些优势,宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景。

1.军事方面的应用

最初,针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。早在1987年,美国政府和相关研究机构就促成了科锐公司(Cree)的成立,专门从事SiC半导体的研究。随后,美国国防部和能源部先后启动了“宽禁带半导体技术计划”和“氮化物电子下一代技术计划”,积极推动SiC和GaN宽禁带半导体技术的发展。美国政府一系列的部署引发了全球范围内的激烈竞争,欧洲和日本也相继开展了相关研究。欧洲开展了面向国防和商业应用的“KORRIGAN”计划和面向高可靠航天应用的“GREAT2”计划。日本则通过“移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发”、“氮化镓半导体低功耗高频器件开发”等计划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用。经过多年的发展,发达国家在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果,实现了在军事国防领域的广泛应用。

由于SiC和GaN两种材料的特性不同,它们的应用领域也有所区别:GaN主要是用作微波器件,而SiC主要是作为大功率高频功率器件。GaN材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍,是制造微波器件的理想材料,被应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备,用来提高雷达性能和减小体积。根据报道,美国海军新一代干扰机吊舱、空中和导弹防御雷达AMDR正在采用GaN来替代GaAs 器件,以取代洛马公司的SPY-1相控阵雷达(宙斯盾系统核心雷达)。SiC则应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统,起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。美国新型航空母舰CVN-21级福特号配备的4个电磁弹射系统均靠电力驱动,能在300英尺的距离内把飞机速度提高到160海里/h。其区域配电系统采用全SiC器件为基础的固态功率变电站,这使得每个变压器的质量从6t减少为1.7t,体积从10m3减少为2.7m3。

2.民用领域应用

随着在军事领域的应用逐步成熟,宽禁带半导体的应用开始逐步拓展到民用应用领域,其节能效应也将惠及到国民经济的方方面面。近年来,信息技术在原有基础上又得到快速发展,大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及,所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。根据预测,美国电力电子设备用电量占总量的比例将从2005年的30%增长到2030年的80%。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件,绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体,从而可有效减小电子跨越的鸿沟,减少能源损耗。其相关器件的推广应用将给工业电机系统、消费类电子产品、新能源等领域带来深远的影响(见图4)。

图4 宽禁带半导体的应用领域示意图

(1)工业电机系统

在传统工业控制领域,交流电机控制、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等都需要功率器件。对于工业电机系统来说,更高效、更紧凑的宽禁带半导体变频驱动器可使电机的转速实现动态调整,这将使得泵、风机、压缩机及空调系统所用的各类驱动电机变得更加高效、节能。根据报道,在美国,电机系统用电量占制造业的70%左右,通过使用宽禁带半导体变频驱动器,美国每年直接节省的电力相当于100万户美国家庭用电的年消耗量。随着宽禁带半导体变频驱动器的应用逐步扩展,最终节省的电力可供690万户美国家庭使用。

(2)消费电子产品

消费电子产品将是宽禁带半导体应用的另一大领域。目前,家庭拥有的电器总量惊人,各类家电通常都需要各种不同的功率器件控制;公共场所空调、照明、装饰、显示、计算机、自动控制等也需要大量的功率器件。笔记本电脑、智能手机、平板电脑、计算机和服务器等消费电子产品所使用的电源转换器虽然单个能耗不大,但其使用数量庞大,损耗总和相当惊人。宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。通过使用宽禁带半导体,美国在此领域节约的电力可供130万户美国家庭使用。

(3)新能源领域

为了摆脱对化石燃料的依赖、减少温室气体的排放,各国政府都开始大力发展可再生能源产业。太阳能发电和风能发电系统所产生的电力需要从直流电源转换成交流电,继而才能与电网相连接使用。由于风能的不稳定性,风力发电机输出非固定频率的交流电,需要进行交-直-交的转换才能并网使用。宽禁带半导体逆变器可以使得这个过程的效率更高,美国每年节省的电力足够供美国75万户家庭使用。此外,对于智能电网来说,使用宽禁带半导体制成的逆变器、变压器和晶体管等,有助于克服发电、输电、配电及终端使用所面临的一系列问题,帮助建立一个更智能、更可靠、更具弹性的新一代电网。例如,一个宽禁带半导体逆变器,其性能是传统逆变器性能的4倍,同时成本和质量分别减少50%和25%。对于较大规模的逆变器,宽禁带半导体逆变器的质量可以减轻大约3 600kg。

在电动汽车和混合动力汽车领域,宽禁带半导体可以把直流快充电站缩小到微波炉一样大小,并减少2/3的电力损失。由于这些电子产品可以承受更高的工作温度,可使得车辆冷却系统的体积减少60%,甚至消除了二次液体冷却系统。

3.市场前景

基于宽禁带半导体的广阔应用前景、巨大的市场需求和经济效益,继半导体照明以后,美国将第三代半导体材料的电子电力器件应用提升到国家战略的高度,确保美国在这一领域的优势地位。相对于半导体照明行业,宽禁带半导体在电子电力领域的应用刚刚起步,但预计其潜在市场容量超过300亿美元。

功率器件方面,2012年全球SiC和GaN基功率器件市场的销售规模仅为1亿多美元,大部分应用集中在电源。其中,SiC基器件的市场规模达到9 000万美元,而GaN基器件仅为1 000多万。2013年,各大企业纷纷推出GaN功率器件样品,这标志着其在民用市场的商业化进程开始加速。随着价格下降和产量的增加,预计市场拐点或将出现在2015年。SiC基器件的价格有望下降到2012年的一半左右,GaN基器件的价格也可能进一步下降,届时市场规模有望接近5亿美元。2020年,市场规模将达到20亿美元,相比2012年提高20倍。微波器件方面,2012年GaN基微波器件市场收入接近9 000万美元,预计GaN整体市场微波及功率器件到2015年达到3.5亿美元。

我国开展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比较晚,在科技部及军事预研项目的支持下,取得了一定的成果,逐步缩小了与国外先进技术的差距,在军工领域已取得了一些应用。但是,研究的主要成果还停留在实验室阶段,器件性能离国外的报道还有很大差距。目前,已有少数企业成功开发SiC和GaN材料及器件,GaN微波器件和SiC功率器件于2013年进入小批量生产阶段,预计在未来2~3年内将实现量产。