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              有望直線超車!進擊的中國“第三代半導體”

              聽了太多關于國產半導體行業被卡脖子、追趕、彎道超車的故事,當一個新興半導體領域讓國內半導體產業能同全球巨頭們站在同一起跑線時,是否能讓人高興乃至興奮呢?

              注:“第三代半導體”并非準確描述,行文暫用只是為了理解方便,正文會有詳解。

              碳化硅晶體,圖片來源天科合達官網

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              振奮人心:有望超車的半導體新材料

              在多個環節被卡脖子的半導體領域,有這樣一個被稱為“中國大陸半導體希望”的存在——“第三代半導體”!

              眾所周知,半導體材料是信息技術的核心基礎材料,一代材料、一代技術、一代產業,半個多世紀來從基礎技術層面支撐了信息技術翻天覆地的變化,推動了電子信息科技產業可持續蓬勃發展。

              第一代半導體材料主要是指硅(Si)、鍺(Ge)半導體材料,興起于二十世紀五十年代,被廣泛地應用于消費電子、通信、光伏、軍事以及航空航天等多個領域。目前,硅材料依然占據絕對主導地位,大多數的半導體器件及集成電路產品還是使用硅晶圓來制造,硅器件占到了全球銷售的半導體產品的 95%以上。

              第二代半導體材料是以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為主的化合物半導體,其主要被用于制作高頻、高速以及大功率電子器件,主要應用于衛星通訊、移動通訊以及光通信等領域。

              “第三代半導體”材料主要以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為化合物半導體。相對于差距較大的第一、第二代半導體,我國“第三代半導體”和國際巨頭基本處于同一起跑線,加上中國有“第三代半導體”的應用市場,可以根據市場定義產品,而不是像之前跟著國際巨頭做國產化替代,完全具備彎道甚至直線超車的可能!

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              技術優勢明顯:大勢所趨的“第三代半導體”

              如果說第1代半導體材料奠定了微電子產業的基礎,第二代半導體材料奠定了信息產業的基礎,那么“第三代半導體”材料將是提升新一代信息技術核心競爭力的重要支撐。

              與前兩半導體材料相比,“第三代半導體”材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力,滿足現代電子技術對半導體材料提出的高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求,更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

              圖片來源,光大證券研究所

              通過上圖,我們可以清晰了解三代半導體材料在應用上的差異,而在具體電氣性能原理方面,“第三代半導體”應用優勢主要體現在以下兩個方面——

              1.三代半導體材料之間的主要區別是禁帶寬度。現代物理學描述材料導電特性的主流理論是能帶理論,能帶理論認為晶體中電子的能級可劃分為導帶和價帶,價帶被電子填滿且導帶上無電子時,晶體不導電。當晶體受到外界能量激發(如高壓),電子被激發到導帶,晶體導電,此時晶體被擊穿,器件失效,禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力?!暗谌雽w”的禁帶寬度是第一代和第二代半導體禁帶寬度的近3倍,具有更強的耐高壓、高功率能力。

              圖片來源,CREE官網

              2.“第三代半導體”材料能量密度更高。以氮化鎵為例,其形成的HEMT器件結構中,其能量密度約為5-8W/mm,遠高于硅基MOS器件和砷化鎵射頻器件的0.5-1W/mm的能量密度,器件可承受更高的功率和電壓,在承受相同的功率和電壓時,器件體積可變得更小。

              圖片來源,CREE官網

              而在整個“第三代半導體”材料體系中,碳化硅有望成為破局關鍵。

              在具體的應用領域,半導體芯片結構分為襯底、外延和器件結構。襯底通常起支撐作用,外延為器件所需的特定薄膜,器件結構即利用光刻刻蝕等工序加工出具有一定電路圖形的拓撲結構。

              由于“第三代半導體”的氮化鎵生長速率慢,反應副產物多,生產工藝復雜,大尺寸單晶生長困難,目前氮化鎵單晶生長尺寸在2英寸和4英寸,相比碳化硅難度更高。因此“第三代半導體”目前普遍采用熱導率更高的碳化硅作為襯底材料,在高壓和高可靠性領域選擇碳化硅外延,在高頻領域選擇氮化鎵外延。

              圖片來源天科合達IPO招股書

              在半導體襯底材料領域,碳化硅襯底器件具有體積小、能量損失更小、應用空間廣闊等特點?!暗谌雽w”目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件,用以實現 AC->AC(變壓器)、AC->DC(整流器)、DC->AC(逆變器)、DC->DC(升降壓變換器),碳化硅器件更適合高壓和高 可靠性情景,應用在新能源汽車和工控等領域,氮化鎵器件更適合高頻情況,應用在5G基站等領域。

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              落地需求旺盛:數字基建打開成長空間

              目前“第三代半導體”器件已經迅速進入了新能源汽車、光伏逆變、5G 基站、PD 快充等應用領域,碳化硅主要 應用在新能源汽車和工控等領域,氮化鎵器件主要應用在5G基站等領域。2020 年我國“第三代半導體”產業電力電子和射頻電子總產值超過 100 億元,同比增長 69.5%。其中,SiC、GaN 電力電子產值規模達 44.7 億元, 同比增長 54%;GaN 微波射頻產值達到 60.8億元,同比增長 80.3%。

              碳化硅功率器件被廣泛應用于新能源汽車中的主驅逆變器、DC/DC轉換器、充電系統中的車載充電機和充電 樁等,光伏、風電等領域。受益新能源汽車的放量,碳化硅功率器件市場將快速增長。 根據Yole數據,2018年和2024年碳化硅功率器件市場規模分別約4億和50億美金,復合增速約51%,按照該 復合增速,2027年碳化硅功率器件市場規模約172億美金。

              圖片來源,CREE官網

              碳化硅襯底材料市場增速快。受益新能源汽車的放量和5G建設應用的推廣,碳化硅襯底材料市場規模有望實現快速增長。 根據Yole統計,碳化硅襯底材料市場規模將從2018年的1.21億美金增長到2024年的11億美金,復合增速達 44%。按照該復合增速,2027年碳化硅襯底材料市場規模將達到約33億美金

              同時,根據Omdia的《 2020年SiC和GaN功率半導體報告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半導體的銷售收入預計8.54億美元。未來十年的年均兩位數增長率,到2029年將超過50億美元。

              圖片來源,Omdia的《 2020年SiC和GaN功率半導體報告》

              此外,根據Yole數據,到2024年SiC功率半導體市場規模將增長至20億美元,其中,汽車市場占SiC功率半導體市場比重到2024年預計將達50%。對于如此龐大的市場和半導體行業基礎的存在,各家半導體企業自然不肯落后于人。

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              積極布局的國際巨頭:擴產與并購

              面對正在快速崛起的“第三代半導體”市場,科銳、意法半導體、羅姆、安森美、英飛凌、Qorvo、住友、恩智浦、三菱電機等傳統半導體行業巨頭們正在不斷通過擴大產能、合作結盟或兼收并購等方式在“第三代半導體”市場跑馬圈地、加速布局。

              如碳化硅晶圓材料主要供應商科銳,正在進行大規模擴產。2019年5月,科銳宣布將投資10億美元用于擴大SiC碳化硅產能,建造一座200mm碳化硅生產工廠(North Fab)和一座材料超級工廠(mega factory),將帶來碳化硅晶圓制造產能的30倍增長和碳化硅材料生產的30倍增長。

              氮化鎵材料方面亦然,據日刊工業新聞2019年11月報道,為了搶攻5G服務相關商機,住友化學旗下子公司SCIOCS將使用于基地臺用高頻元件的氮化鎵外延晶圓產能提高至2017年的3倍水平。

              上游材料廠商大幅擴產的同時,中游企業則不斷與其合作以期鎖定材料產能。近兩年來,英飛凌、意法半導體、安森美等企業相繼與科銳簽署了碳化硅晶圓長期/多年供應協議。

              2020年初,意法半導體還與羅姆旗下碳化硅晶圓廠商SiCrystal GmbH達成碳化硅晶圓長期供應協議;3月,GTAT和安森美簽署協議,GTAT將向安森美生產和供應CrystX碳化硅材料,安森美將使用GTAT專有的150mm碳化硅晶體來制造碳化硅晶圓。

              圖片來源,英飛凌官網

              除了提前鎖定上游材料貨源,英飛凌等IDM廠商或器件廠商還采取了收購、合作等方式,整合上下游產業鏈資源以加速布局。

              英飛凌早于2018年11月收購了擁有碳化硅晶圓冷切割技術的初創公司Siltectra;2019年12月,意法半導體完成收購瑞典碳化硅晶圓廠商Norstel AB;2020年3月,意法半導體再宣布收購法國氮化鎵創新企業Exagan公司的多數股權。再如前不久,II-VI Incorporated宣布收購碳化硅外延晶片和器件企業Ascatron AB的所有已發行股份。

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              國內企業:依托應用市場實現超車

              縱觀全球“第三代半導體”領域,CREE是全球碳化硅市場龍頭企業,占據導電型SiC襯底市場62%的份額,其碳化硅襯底產品包括4英寸至6英寸導電型和半絕緣型,8英寸產品 且已成功研發并開始建設生產線,但過國內企業在技術上國內的差距并不是很大,中芯國際創始人張汝京曾公開演講表示過,中國在“第三代半導體”技術上,有望實現直道超車,這也是為何高層如此重視這一領域的原因。

              國內三安光電子公司三安集成承接化合物半導體業務,布局砷化鎵、氮化鎵、碳化硅、光通訊和濾波器五大板塊。三安集成 2018-2020年收入分別為1.71、2.41、9.73億元。公司碳化硅業務布局襯底、外延、器件全產業鏈,主要應用在光伏和儲能等領域,應用包括服務器電源、礦機電源、新能源汽車等領域,而天科合達和山東天岳分別是國內導電性SiC襯底和半絕緣型SiC襯底龍頭,6寸襯底也開始規?;a或者開始建設產線。

              圖片來源,光大證券研究所

              除了諸多“第三代半導體”企業迅速成長外,中國已經是全球最大的新能源汽車市場,2019年中國新能源汽車銷量116萬輛,占據全球54%,車用功率器件市場增量巨大,為SiC功率電子器件與模塊產業帶來巨大的發展空間,更讓國內“第三代半導體”企業擁有寬松的成長空間。

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              切不可捧殺:為“第三代半導體”正名

              捧殺,無疑是毀掉一個人最好的方式?!巴黄鹋芫€”的說法讓我國“第三代半導體”產業擁有了同全球先進半導體企業一較高低的希望,但希望并不意味著就可以盲目自信甚至自大。

              實際上,“第三代半導體”不是第一代和第二代半導體的升級,它們是并存關系,各有各的應用場景和優勢。第一代半導體是以硅材料為主,也是當下大眾討論最普遍的半導體概念,它廣泛應用在手機、電腦、電視等領域,比如英特爾的CPU、華為的麒麟芯片都采用硅基的半導體技術。第二代半導體以砷化鎵、銻化銦為代表,主要是功率放大,用于衛星通訊、移動通訊、導航等領域。

              “第三代半導體”以氮化鎵、碳化硅為代表的化合物半導體,主要面向三個市場:光電子、電力電子和微波射頻,更通俗一點說,像手機快充、新能源車、軌道交通和國家電網等是民用領域的幾大市場。

              國內提出“第三代半導體”這個概念,主要是跨領域交流和工作匯報,因為行業術語有時讓人理解困難。但這個詞很容易也讓人們產生一種錯覺:第三代比第一代強。實際上,這類半導體材料在國際上的通用說法叫做“寬禁帶”,指的是禁帶寬度大于2.2eV的半導體材料。而在工信部等相關文件中和十四五規劃里都稱為“寬禁帶”半導體,而非“第三代半導體”。

              龐大的終端應用市場加上過去十余年間持續投入,我國在“第三代半導體”領域同國外先進企業的差距的確很小,但很小并不代表完全沒有差距或者軟肋。以碳化硅為例,最核心的問題是基礎材料,比如高純的碳粉和硅粉,我們在提純技術上有差距;而在碳化硅設備里,我們缺乏高純的石墨坩堝技術;做器件的時候,我們的光刻機、光刻膠也是個問題。碳化硅半導體的制造設備仍較多依賴進口,特別是“外延爐、離子注入機”等造價昂貴且有門檻的設備,動輒幾百萬上千萬元人民幣,主要還是靠買國外的,而氮化鎵也面臨類似問題。

              總體而言,國內想要在“第三代半導體”領域有所建樹并不難,但想要擁有完整的體系,并在系統體系上形成優勢或超越,恐怕還有很長的路要走,這或許也是強鏈、補鏈、延鏈的意義。


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