第三代半导体离我们有多远?花几十元就可以体验

2020年9月16日 12 : 39

近期,以碳化硅、氮化镓、金刚石为代表的第三代半导体概念异军突起,A股市场更出现了12天市值暴涨113%的企业,在半导体产业风波不断的今天,红得发紫的第三代半导体离我们还有多远呢?

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有望弯道超车的第三代半导体

据了解,第一代半导体以硅、锗为代表,是目前大部分半导体的主要材料,发展成熟;第二代半导体以砷化镓、磷化铟为代表,是4G时代的大部分通信设备的材料;第三代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表,性能优势在于耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。

如果说第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础,第二代半导体材料奠定了信息产业的基础,那么第三代半导体材料将是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。与前两半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力,满足现代电子技术对半导体材料提出的高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计达8.54亿美元。未来十年将达年均两位数增长率,到2029年销售收入将超过50亿美元。

目前第三代半导体材料已经成为发达国家战略部署重点。美国、日本、欧盟等国家和地区均将其置于重要的战略位置,对其投入巨资进行支持。2013年日本政府将SiC纳入“首相战略”,认为未来50%的节能要通过它来实现;2014年1月,美国宣布设立国家下一代电力电子制造业创新学院,5年内将至少投入1.4亿美元,对宽带隙半导体技术进行研究,加速其商业化应用;2016年10月,美国成立半导体工作组,专注于加强美国的半导体产业;2015年英国政府和威尔士政府为卡迪夫大学投资超过2 900万英镑,用于建设新的化合物半导体研究所(ICS),该研究所不仅是下一代化合物半导体技术创新中心的重要组成部分,也是建设欧洲第5个半导体集群战略的关键组成部分。

跨国企业也积极布局发展第三代半导体材料。第三代半导体材料吸引了大批国际巨头公司。美国的科锐公司、道康宁、II-VI公司、国际整流器公司、射频微系统公司、飞思卡尔半导体公司,德国的SiCrystal公司和Azzurro公司,英国的普莱思公司,日本的富士通公司和松下公司,加拿大的氮化镓系统公司等,纷纷开展第三代半导体材料产业化及应用技术研发工作,以期在未来半导体市场竞争中继续保持有利地位。

当前,以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体已逐渐受到国内外市场重视。由于国内厂商对第三代半导体的研究起步时间并没有被国外厂商拉开差距,因此在这一材料技术领域中国半导体企业有“弯道超车”的可能。

同时,第三代半导体是目前已知的理论上光电、电光转换效率最高的材料体系。下游应用包括:微波射频器件(通信基站等)、电力电子器件(电源等)、光电器件(LED照明等)。

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Mini LED似乎更受欢迎

第三代半导体全面爆发恐怕还需要不短的时间,对于制造业而言,Mini LED似乎更受欢迎。

MiniLED是最近几年在小间距LED基础上所衍生出的新型LED显示技术,也被称为“亚毫米发光二极管”。2020 年有望是 MiniLED 启动的元年,市场非常庞大,上半年部分厂商已经有MiniRGB及TV背光产品出货,下半年龙头终端品牌厂有望推出部分中尺寸的MiniLED背光产品。如果全部显示终端采用Mini LED背光技术,电视和电脑显示器年合计需要近4800万片4英寸LED 晶圆,空间巨大。

高工LED预测,我国MiniLED应用市场规模在2018年仅3亿元,2020 年预计达到22亿元。集邦咨询研究中心(LEDinside)预测,到2023年,Mini LED市场将超过10亿美元。

Mini LED产业本身就是国家未来发展重点产业之一。同时 Mini LED是新一代显示技术,我国在其全套生产技术上已经能完全自主并处于国际先进水平,抓住这个战略机遇,就能避免当年我国在液晶时代长时期无屏之痛的历史重演。

目前第三代半导体材料氮化镓已经成功在LED蓝光芯片和激光芯片上得到了成功的商业应用,形成了较好商业效益,现在 Mini LED时代已经开启。

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触手可及的第三代半导体

从半导体材料到终端产品有多远?或许氮化镓(GaN)的落地能让人们略窥一二。

作为第三代半导体材料的氮化镓(GaN),是一种坚硬的高熔点(熔点约为1700℃)材料,具有高频、高效率、耐高压等特性,用于制作多种功率器件和芯片。

氮化镓在半导体材料领域的研究已经持续多年,近期广为人知,是因为它可以用在充电器中。今年2月,小米发布新品,其中65W GaN充电器成为一大亮点。

不过这并不是第一款氮化镓充电器,早在去年四季度,OPPO就发布了全球首款65W GaN充电器。两家大厂相继布局,意味着技术已经进一步成熟。

而且,氮化镓充电器并不仅仅用于手机充电。更小、更便捷的GaN充电器是解放笔记本的一大利器。近期汽车零部件供应商马瑞利与半导体公司Transphorm合作开发氮化镓充电技术。未来,笔记本、新能源车或许都会用到氮化镓充电器。

华为旗下的哈勃科技投资有限公司2019年8月投资了国内领先的碳化硅材料公司山东天岳先进材料科技有限公司,持股达10%。碳化硅是另一种第三代半导体材料,是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底材料,综合性能较硅材料可提升上千倍,可用于固态光源、电力电子、微波射频器件。

充电器之外,5G带来更广阔的应用空间。在射频领域,氮化镓射频器件适合高频高功率场景,是5G时代的绝佳产品,将替代Si基芯片,应用在5G基站、卫星通信、军用雷达等场景。

随着5G基站的建设迎来高峰,相应的各种射频器件、芯片数量和质量都在提升,市场需求旺盛。氮化镓工艺正在逐步占领市场,已经势不可挡。拓璞产业研究院预计到2023年基站端GaN射频器件规模达到顶峰,达到112.6亿元。

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这是一个比拼生态的战场

全球半导体大厂跨入第三代半导体材料,已多展开合作、策略结盟或购并,包括IDM 厂商意法半导体购并Norstel AB 以及法国Exagan、英飞凌收购Siltectra ,以及日商ROHM 收购SiCrystal 等;而中国台湾厂商也争逐第三代半导体材料,以今年上半年台积电携手意法半导体最具代表性,而此次矽晶圆大厂环球晶与宏捷科的策略私募入股,整合上下游产业链的能力达成互补,加快开发脚步以及瓶颈,打团战比单打独斗,更快可获取市场。

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。

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。

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整体落地依旧需要时间

写在最后:从全球技术发展阶段而言,第一、二代被欧美巨头垄断,第三代半导体国内外的发展基本处在同一起跑线,对于国内是很好的机会。近年来,有欧美大厂在逐步布局该领域的研究,华为也开启了对第三代半导体材料的布局。

国内的5G产业发展迅速,会成为第三代半导体产品应用的主要领域,可以根据市场需求定制化研发生产。总体而言,我国第三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。

(文/张毅)


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