芯片新局面:第三代半导体迎来新机遇

日期:2021-06-30     来源:经济观察报    作者:李靖恒    
核心提示: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。
 第三代半导体正在成为市场焦点。
 
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(688396.SH)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(600703.SH)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。
 
差距仍大
 
尽管目前国内第三代半导体在规模和技术方面发展迅速,但和国际上的主要公司相比仍然有不小差距。
 
上述华润微人士向记者表示:“这个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。”
 
三安光电的内部人士也告诉记者,目前公司大部分的产品还是传统的LED芯片产品,现在第三代半导体产品总体占比不大,不过产品的结构也在慢慢变化,占比在逐渐增加。
 
来自联盟的数据显示,去年我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过100亿元,较2019年增长69.5%。其中,碳化硅、氮化镓电力电子产值规模达44.7亿元,同比增长54%,衬底材料约2.2亿元,外延及芯片约5亿元,器件及模组约7.2亿元,装置约30亿元,相较前几年,中下游的增长速度加快。而氮化镓微波射频产值达到60.8亿元,同比增长80.3%。其中,衬底约6.5亿元,外延及芯片9.2亿元,器件及模组19.6亿元,装置约25.5亿元。
 
而根据CASAResearch的不完全统计,截至2020年底,国内有超过170家从事第三代半导体电力电子和微波射频的企业(2018年这个数字尚不足100家),覆盖了从上游材料的制备(衬底、外延)、中游器件设计、制造、封测到下游的应用,基本形成完整的产业链结构。
 
在此同时,传统半导体企业依托资金、技术、渠道以及商业模式的优势,正在积极布局第三代半导体。比如去年有17家半导体企业陆续登陆科创板,其中有5家企业计划布局第三代半导体。
 
当然,目前国产替代的过程也在加速,以华为为代表的应用企业调整供应链,使得国内企业获得了试用、改进的机会,国产器件逐渐导入终端产品供应链。国内第三代半导体企业抓住发展机遇,主动与下游应用企业开展合作,推动国产器件的快速应用。
 
根据联盟提供的信息,国内碳化硅商业化衬底以4英寸为主,逐步向6英寸过渡,微管密度、衬底可用面积、位错等技术参数都有所进步。在研发方面,目前已经实现了高质量6英寸碳化硅衬底材料的制备,但“国内碳化硅衬底单晶质量与国外差距明显,存在单晶性能一致性差、成品率低、成本高等问题,国产高性能衬底自给率仍然较低,占全球的市场份额不到5%。”
 
此外,联盟认为,目前产业链各环节产能虽然在不断增长,但供给仍然不足。去年新能源汽车、PD快充、5G等下游应用市场增长超预期,但国内现有产品商业化供给无法满足市场需求,尤其是碳化硅电力电子和氮化镓射频存在较大缺口。这也导致我国第三代半导体各环节国产化率较低,超过八成的产品依赖进口。“整体来看,我国第三代半导体供应链的自主保障能力得到增强,但国内企业的市场竞争力较国际巨头仍有差距。与国际企业相比,我国第三代半导体产业规模仍然较小,企业优势不明显。目前各细分应用市场的核心器件均由 Cree|Wolfspeed、ROHM、Infi-neon等国外企业占据,国产产品市占率不足10%。”“(尤其)值得注意的是,大尺寸产线对材料技术和生产技术的要求更高,与国际相比,国内大尺寸晶圆制造技术尚未完全成熟,成本高昂、良率较低。企业要根据自身情况,综合考虑技术、成本、生产效率等多方面因素,选取最优的工艺路线。”联盟表示。
打赏
联系客服 投诉反馈  顶部