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第三代半导体大规模量产在即 哪些行业已经小有“成就”?

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发表时间:2021-12-16 16:14


6月中旬,第三代半导体产业技术创新战略联盟(以下简称“联盟”)在最新发布的《第三代半导体产业发展报告2020》(以下简称“报告”)中表示,以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体在新能源汽车、5G、光伏发电、快充等领域不断取得突破,2020年全球第三代半导体市场总体保持增长态势。


据其统计,由于5G基站、新能源、快充市场发展等原因拉动,去年我国第三代半导体碳化硅、氮化镓电力电子和氮化镓微波射频市场总规模达到113亿元,较2019年增长85%。“然而,不断增长的市场规模并未对国内产业形成有效拉动,国内企业规模仍然较小,在新能源汽车、5G基站等关键市场超过八成的国内市场份额主要被国际大厂占有。”联盟在报告中指出。


有半导体产业链上市公司相关人士亦向记者表示,“第三代半导体大家都在研发当中,但是真正能够大规模量产的并不多,目前大部分的量都是进口国外的产品。”


半导体演进


第一代半导体是以硅材料为主,广泛应用在手机、电脑等领域,比如电脑的和手机的处理器都采用这种硅基的半导体技术。第二代半导体以砷化镓、锑化铟为代表,主要是功率放大,用于卫星通讯、移动通讯、导航等领域。第三代半导体是以氮化镓、碳化硅为代表的化合物半导体,主要应用于光电子、电力电子和微波射频,比如手机快充、新能源车、轨道交通、5G基站、航空航天等等。


国内半导体生产企业华润微相关人士在接受记者采访时表示,目前该公司也在布局第三代半导体,已经推出了碳化硅二极管样品。目前公司采用IDM的模式,也就是说在半导体产业链上覆盖了设计、制造、封测等多个环节。


上述人士进一步介绍称,相比前两代,第三代半导体的特点主要是宽禁带、性价比高。宽禁带意味着产品具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、高饱和电子速度、高电子密度、可承受大功率等特点。因此第三半导体使用的范围和场景都更好一些。


另一家半导体企业三安光电的相关人士则对记者表示,第三代半导体可以用于手机、车、基站等。目前三安光电在化合物半导体方面是国内最大的生产企业,涉及半导体衬底和外延的生产,主要做6英寸的产品生产。“有很多还处于研发状态,有些产品已经上市,比如三星的电视就用到了三安光电的部件。”


根据三安光电在2020年度报告中的介绍,电力电子器件又称为功率器件,主要应用于变频、变压、变流、功率放大和功率管理等领域,几乎用于所有的电子制造业,包括计算机、网络通信、消费电子、汽车电子、工业控制等。


目前,第三代半导体功率器件发展方向主要有碳化硅和氮化镓两大方向,碳化硅和氮化镓等第三代半导体因禁带宽度和击穿电压高,在功率半导体领域有很大的应用潜力。碳化硅拥有更高的热导率和更成熟的技术,氮化镓高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点,两者的不同优势决定了应用范围上的差异。


路线与模式

氮化镓集中在600V以下领域,主要应用于快充、电源开关、激光雷达、服务器电源等市场;碳化硅用于1200V以上领域,主要应用于电动汽车、PFC电源、储能、充电桩、轨道交通、智能电网等领域。


联盟在《报告》中则进一步分析称,预计三到五年内,碳化硅功率器件将成为新能源汽车中电机驱动器系统主流的技术方案,这将给全球碳化硅功率器件产业带来巨大发展机遇。丰田、大众、本田、宝马、奥迪等汽车企业都将碳化硅功率器件作为未来新能源汽车电机驱动系统的首选解决方案。


国外多家企业同时也开始推动氮化镓在新能源汽车领域的应用,多家企业都推出了车规级商业化产品。与硅技术相比,氮化镓芯片具有以下优势:开关速度最大提高4倍、降低电压电流交叉损耗、功率密度最高增加40%。但国内氮化镓功率半导体研发及应用起步相对较晚,尚未在新能源汽车领域取得实质进展。


根据联盟的预计,国内碳化硅汽车市场将以30.6%的复合年增长率增长,2020年市场规模15.8亿元,到2025年将超过45亿元。折算成晶圆,国内2020年新能源汽车市场6英寸碳化硅晶圆需求量超过4万片,预计到2025年需求量将增长到近30万片。国际2020年新能源汽车市场6英寸碳化硅晶圆需求量超过5万片,到2025年需求量超过60万片。


另外,氮化镓电力电子器件在快充市场也发展迅速。充电头网的数据显示,去年有10家手机厂商推出了18款氮化镓快充,华为、小米、OPPO、联想、魅族、努比亚等主流厂商均位列其中,而小米、联想、OPPO、Realme、三星等品牌已经将氮化镓快充作为手机的标配。氮化镓电力电子器件具有高开关频率、高能量密度和高能量转换效率的特点,能够使氮化镓PD快充实现更高功率、更小体积和更高转换效率。随着氮化镓技术的革新升级,性能及成本优势加持下,氮化镓未来有望成为主流快充技术。



而且,快充技术从手机出发,已经逐步覆盖到了平板电脑、笔记本电脑、显示器、新能源汽车、电动工具、IoT设备等七大市场。除了手机厂商之外,笔电厂商也已陆续进入氮化镓快充市场,联想、戴尔、LG等品牌均基于氮化镓功率器件推出了高效的大功率快充配件,而新产品相较于传统的笔记本适配器体积大大缩小,一台65W以上容量的快充,可满足笔记本、手机和平板电脑的充电需求。联盟认为,氮化镓快充将在未来几年迎来发展的巅峰,市场容量十分可观。


CASAResearch的数据显示,去年国内PD快充氮化镓电力电子器件市场规模约1.5亿元,预计到2025年市场规模将超过40亿元,年均复合增长率97%;去年全球PD快充氮化镓电力电子器件市场规模超过3亿元,预计到2025年市场规模达到80多亿元,年均复合增长率90%。折算到上游晶圆需求来看,国内去年PD快充市场6英寸氮化镓晶圆需求量为1.7万片,到2025年需求量约为67.4万片;国际去年PD快充市场6英寸氮化镓晶圆需求量为3.7万片,到2025年需求量将超过120万片。


在微波射频方面,据CASARe-search统计,去年国内氮化镓微波射频器件市场规模为66.1亿元,较上年同比增57.2%。考虑到5G基站建设是影响氮化镓微波射频器件市场规模变化的主要因素,预计2022年我国5G基站建设将达到高峰,带动国内氮化镓微波射频器件市场规模迅速扩张。而且,即使在2023年以后我国5G基站建设规模将有所回落,但毫米波基站将有望始大规模部署,成为拉动市场的主要力量,带动国内氮化镓微波射频器件市场规模成倍数增长。


根据联盟的分析,去年我国5G宏基站氮化镓射频功率放大器市场规模73亿元,到2022年市场规模接近100亿元,复合增长率达到17.5%。2023年毫米波基站将开始部署,预计射频功率放大器市场规模将有5-10倍的增长需求。整体来看,5G宏基站、微基站及毫米波基站带来的氮化镓射频功率放大器市场规模将超过1000亿元。折算成晶圆来看,若毫米波基站开始部署,其4英寸氮化镓晶圆总需求量约为200-400万片。


然而,目前全球射频器件市场由住友电工、Cree|Wolfspeed和Qorvo三家企业占据,其中住友电工为华为主要供应商。国内在毫米波领域处于空白,没有相关器件供应商。


第三代半导体材料及其应用


第三代半导体是指以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料,它是继20世纪50年代以Ge、Si为代表的第一代半导体和70年代以GaAs、InP为代表的第二代半导体之后于90年代发展起来的新型宽禁带半导体材料,即禁带宽度明显大于Si(1.12 eV)和GaAs(1.43 eV)的半导体材料,通常界定为禁带宽度大于2 eV的材料。


目前备受关注的有3类材料:(1)III族氮化物半导体包括GaN(3.4 eV)、InN(0.7 eV)和AlN(6.2 eV)及其固溶合金材料;(2)宽禁带IV族化合物的SiC(2.4~3.1 eV)和金刚石薄膜(5.5 eV)材料;(3)宽禁带氧化物半导体包括Zn基氧化物半导体(2.8~4.0 eV)的ZnO、ZnMgO、ZnCdO材料和氧化镓(β-Ga2O3,4.9 eV)。其中GaN、SiC材料已经在许多产业领域得到成功应用。


在光电子领域,基于GaN、InN、AlN及其形成的固溶体合金全组分直接能隙的优异光电特性,发展了高效固态发光光源和固态紫外探测器件,填补了短波长半导体光电子技术的空白,开启了白光照明、超越照明、全色LED显示和固态紫外探测新纪元,经过近20多年的发展,技术日趋成熟,产业蓬勃发展,取得了巨大的科学、经济和社会效益,2019年市场规模达6388亿元。


在电子领域,基于GaN、SiC的宽带隙、高电子饱和速度、高击穿电场、高热导率和低介电常数等优越的材料电子特性,发展了高能效、低功耗、高极端性能和耐恶劣环境的新一代微波射频器件(GaN)和功率电子器件(SiC、GaN)。


GaN射频器件与GaAs相比,具有更高工作电压、更高功率、更高效率、高功率密度,更高工作温度和更耐辐射能力。


功率电子器件与Si相比,具有更高工作电压、高功率密度、高工作频率、低通态电阻、极低反向漏电流和耐高温、耐辐照特性。



新基建时代的新机遇


当前,中国正在发力实施5G通信、物联网、大数据、云计算和人工智能新一代信息技术及其带动车联网、工联网、智能制造,智慧能源、智慧城市、医疗健康、轨道交通等垂直行业转型升级发展的新型基础设施建设(新基建),推动中国经济社会创新发展、高质量发展。


5G时代新基建需求的牵引,成为第三代半导体继21世纪初顺应世界能源与环境发展战略需求迎来以LED半导体照明产业为特征的发展机遇之后,又迎来以第三代半导体电子技术产业为特征的新一轮新发展机遇。


第三代半导体电子技术以其高能效、低功耗、高极端性能和耐恶劣环境的不可替代性优势在微波射频和功率电子两个领域对5G信息技术发展、新基建实施从技术底层发挥其重要的支撑作用。


微波射频领域


射频器件是射频技术的核心基础器件,作为射频功率放大、有源射频开关和射频功率源具有广阔应用前景。


GaN射频器件与传统的硅横向扩散金属氧化物半导体(Si-LDMOS)和GaAs器件相比,具有更高工作电压、更高功率、更高效率、高功率密度,更高工作温度和更耐辐射能力的优势,支撑新基建的实施,从高阶高端的雷达、电子对抗、导航和空间通信等军事电子装备应用进入到5G基站、物联网、激光雷达、无人驾驶汽车毫米波雷达、人工智能以及通用固态射频功率源等宽广的民用领域,开拓巨大的消费电子市场,有望重塑射频技术领域发展的新格局。


例如,GaN射频器件作为5G基站射频功率放大器(PA)的核心器件,解决基站通信系统面临的巨大能耗瓶颈,引发GaN射频器件需求爆发式增长。


5G宏基站高频段工作,损耗大,传输距离短,5G基站要达到4G信号的同样覆盖目标,将需4G基站数量的3~4倍(中国目前4G基站445万个),5G基站为提升网络容量采用大规模阵列天线技术(MIMO),64通道的MIMO阵列天线的单基站PA需求量接近200个,从而5G基站的耗电量是4G的3~4倍,5G基站整体能耗将是4G的9倍以上。


因此,GaN射频器件以其不可替代性优势成为5G基站PA的必然选择,也是4G基站PA升级的主流方向;新基建的实施为GaN射频器件在雷达领域开拓了广阔的民用应用场景。


GaN的毫米波雷达具有体积小、质量轻和分辨率高以及穿透烟、雾、灰尘能力强,传输距离远的特点,将在车联网、物联网、智能制造、智慧社会等诸多领域获得广泛应用,例如77 GHz 频段的GaN毫米波雷达作为自动驾驶汽车的远程探测器,用来精确感知周边障碍物,以实现自动紧急制动、自适应巡航、前向碰撞预警等主动安全领域的功能。


功率电子领域


功率电子器件是电能变换、管理的核心器件,器件的能效决定了电子系统、装备和产品的能耗高低、体积和质量大小、成本和可靠性高低以及智能移动终端的续航能力。


现代电子系统或装备对功率电子器件的需求越来越高,不仅要求更高功率密度和更高能效而且要求具有高极端特性和耐恶劣环境性能,传统的Si功率电子器件转换效率较低、需以巨额能耗为代价,而且器件性能诸如阻断电压、开关频率、转换效率和可靠性的提升又逐渐接近Si材料物理极限,面临严峻挑战。


SiC、GaN功率电子器件拥有超越Si器件的优异特性,可满足5G信息技术新基建领域的新需求,解决数据中心、无线基站等信息基础设施面临的巨大能耗瓶颈以及支撑IT移动智能终端实现小型化、轻量化、并提升续航能力,支撑新能源汽车、智慧能源、轨道交通、智能制造等新基建优势应用领域产业发展的迫切需求。


SiC、GaN功率电子器件因其材料电气性能差异适于不同的电力应用场景:SiC功率器件应用于高压、大功率的电力管控,诸如新能源汽车及其充电基础设施和新能源电力逆变装置和智慧能源系统。


据测试数据报道,新能源汽车采用SiC功率模块的逆变器可使开关损耗降低75%(芯片温度215℃),逆变器尺寸下降43%,质量减轻6 kg,使汽车连续续航距离增加20%~30%。


中国是全球最大的新能源汽车市场,2019年中国新能源汽车销量116万辆,占据全球54%,车用功率器件市场增量巨大,为SiC功率电子器件与模块产业带来巨大的发展空间;GaN功率器件应用于低电压、高频的电力管控,面对消费类电子领域具有极其广阔的应用前景。


特别是基于其工作频率高、动态损耗小、导通电阻低以及耐高温、发热量低的优异性能,极适合作为开关电源应用,为现代各种消费类电子终端提供绿色高效电源。


例如作为电源适配器快充电源,解决Si器件实现快充面临提升功率又增大体积的矛盾,使电源功率损失和尺寸锐减达50%,不仅可缩短手机充电时间,有效提升续航能力,而且有望实现手机、平板电脑、游戏机、AR眼镜、VR头盔等各种移动终端充电的一体化,支撑可携带IT终端产品的发展,成为当前GaN功率电子产业发展的风口,预计到2025年全球GaN快充产品市场将达到600多亿元。



GaN功率器件与SiC相比,开关速度更快,通态电阻更低,驱动损耗更小,转换效率更高,发热更低,且Si基GaN器件更有成本较低的优势,因此GaN功率电子技术不仅在面广量大的消费类电子领域,而且在新基建各种中低压应用场景中有着极其广泛的应用前景。


国内碳化硅发力全产业链布局,挑战海外巨头垄断地位


国内碳化硅各环节全产业链布局,挑战海外巨头垄断地位。衬底环节厂 商包括天科合达、SICC、同光晶体、东尼电子等,外延厂商包括瀚天天 成、东莞天域等,设计厂商包括上海瞻芯、上海瀚薪等,IDM 厂商包括泰科天润、中科汉韵、三安集成、华润微等。国内供应链在各个环节均 有布局,而碳化硅仍在快速增长阶段,格局尚未固化,国内企业有望依 托庞大内需市场调整海外巨头垄断地位。


国内供需仍存缺口,有效产能不足。我国 2020 年碳化硅导电型衬底产 能约 40 万片/年(约当 4 英寸)、外延片折合 6 英寸 22 万片/年、器件 26 万片/年;半绝缘型衬底折算 4 英寸产能近 18 万片/年。随着新能源汽车、5G 等下游应用市场的快速起量, 国内现有产品供给无法满足需求,目前第三代半导体主要环节国产化率 仍然较低,超过 80%的产品要靠进口。


国内衬底厂商虽在产品规格和技术成熟度上有差距,但存在较大追赶可能。目前国产 SiC 衬底已经实现微管密度小于 1 个/cm2,衬底面积 95% 可用,位错约在 103 /cm2;虽然在单晶一致性、成品率方面与国际先进水 平仍有差距,但未来可期。


国内厂商积极研发布局碳化硅器件项目。现在已经商业化的 SiC 产品主 要集中在 650 V-1700 V 电压等级,主要产品为二极管和晶体管,3000V 以上电压及 SiC IGBT 尚在研发当中。国内厂商如泰科天润已发布 3300 V/0.6 A-50 A SiC 二极管系列产品;三安集成、基本半导体等公司已实现 650 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET 的小规模量产;功率模块方面, 国内上市企业士兰微、斯达半导等公司积极布局,目前比亚迪汉已经成 功搭载了自主研发的 SiC MOSFET 控制模块。国内市场已经初步实现低 端产品的国产替代化,高端产品依然依赖进口。


国内第三代半导体投资力度高企,力争追赶国际厂商。根据 CASA Research披露,2018年至今,国内厂商始终加强布局第三代半导体产业,2020 年一共有 24 笔投资扩产项目(2019 年 17 笔),增产投资金额超过 694 亿元,同比增长 161%,其中 SiC 领域共 17 笔、投资 550 亿元,GaN 领域共 7 比、涉及资金 144 亿元。


根据CASA数据,2020年我国电力电子和射频电子总产值超过100亿元, 同比增长了 69.5%。其中,SiC、GaN 两种材料的电力电子产值合计达 44.7 亿元,同增 54%。其中,衬底材料 2.2 亿元,外延及芯片 5 亿元, 器件及模组约 7.2 亿元,装置约 30 亿元。


来源:经济观 察报,报人刘亚东,未来智库


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