碳基材料将纳入十四五产业规划 第三代半导体持续升温

日期:2021-08-26     来源:新华财经、半导体产业网等    
核心提示:工信部8月24日在官网表示,将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划,并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。这引发市场对于以碳基材料等第三代半导体产业发展的广泛关注。
当前,国际上第三代半导体材料、器件已实现了从研发到规模性量产的成功跨越,并进入产业化快速发展阶段。“十四五”时期,将成为我国第三代半导体产业发展的关键窗口期,对我国能否建立长期战略优势至关重要。
 
8月24日,工信部在官网表示,下一步将以重大关键技术突破和创新应用需求为主攻方向,进一步强化产业政策引导,将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划,并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划,以全面突破关键核心技术,攻克“卡脖子”品种,提高碳基新材料等产品质量,推进产业基础高级化、产业链现代化。
 
此消息一出,进而引发市场对于以碳基材料等第三代半导体产业发展的广泛关注。
 
新华财经调查发现,近年来,随着5G、新能源汽车、光伏等行业快速发展,我国半导体行业发展迎来重要节点。业内人士预测,“新基建”将为第三代半导体材料带来的新机遇,5G基建、新能源汽车充电桩、特高压及轨道交通四大关键领域,将会给第三代半导体带来更大的市场空间。但与此同时,第三代半导体面临的成本高、技术人才匮乏等问题也将带来一定风险。
 
适用高压、高频场景 第三代半导体特点突出
 
“两年时间,我们也从一个5个人的小公司,成长为拥有国内外4家控股子公司的企业。”瀚薪科技负责人徐菲说。
 
在上海自贸区临港新片区揭牌两周年之际,成长于临港新片区的集成电路企业上海瀚薪科技有限公司宣布,将新建瀚薪科技碳化硅产业基地,开展碳化硅器件和模块的研制,以及碳化硅系列产品的检测和生产。
 
记者调查发现,在临港新片区“东方芯港”,第三代半导体产业生态正在逐步形成。“在这里我们能找到材料供应商,也能找到下游企业,不但能让我们发挥专业特长,还能节省资源、提高效率。”徐菲说。
 
第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料,与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,第三代半导体材料制备的半导体器件可适用于高电压、高频率场景,此外,还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力。
 
第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体为代表,其典型应用是集成电路,主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中。第二代半导体材料是以砷化镓为代表。由于第二代半导体材料的禁带宽度不够大,击穿电场较低,限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。
 
目前,从第三代半导体材料竞争看,市场格局日益明显。在全球市场,以美国的Cree和II-VI公司为主,在国内市场,则主要有山东天岳,天科合达、河北同光等企业布局这一赛道。
 
以山东天岳为例,这家企业成立于2010年,主要从事碳化硅衬底的研发、生产和销售。目前,公司主要产品覆盖半绝缘型(4英寸为主)和导电型(6英寸为主)碳化硅衬底,已供应至国内碳化硅半导体行业的下游核心客户,同时已被部分国外顶尖的半导体公司使用。
 
第三代半导体产业技术创新战略联盟秘书长于坤山判断说,“经过多年的培育与发展,近年来,我国第三代半导体产业已开始由‘导入期’向‘成长期’过渡。”他认为,随着第三代半导体产业自主可控能力的不断增强、整体竞争实力的不断提升以及产品体系的日益完善,第三代半导体产业已迎来高质量发展的风口。
 
8月18日,2021年临港新片区第三季度建设项目集中开工仪式举行。集中开工24个项目,其中包括天岳半导体产业基地。未来,天岳半导体将成为瀚薪科技的上游供应商。
 
5G、能源互联网等“新基建”领域成应用“主战场”
 
在前不久国务院新闻办公室举行的新闻发布会上,国家发改委相关负责人表示,在新型基础设施方面,今年将出台“十四五”新型基础设施建设规划,大力发展数字经济,拓展5G应用,加快工业互联网、数据中心等建设。在能源互联网、5G基站、新能源汽车及充电桩、大数据中心等场景,第三代半导体将有着广阔的应用空间。
 
“5G基站开始大规模建设以及快充市场的爆发,对第三代半导体的需求呈现出前所未有的增长趋势。”于坤山认为,除5G外,新能源汽车也正成为第三代半导体市场的主要拉动力。
 
工信部副部长刘烈宏此前曾表示,目前我国5G终端连接数超过了3.1亿,占全球比例超过了80%;5G基站81.9万个,占全球的70%以上,覆盖了全国所有地级以上城市;5G在工业领域和经济社会各领域的应用示范项目已经超过了1万个。
 
目前,碳化硅功率器件已被国际知名车企应用在其电动汽车上。电动驱动系统中,主逆变器负责控制电动机,是汽车的关键元器件,特斯拉 Model 3 的主逆变器采用了意法半导体生产的 24 个碳化硅 MOSFET 功率模块,是全球第一家将碳化硅 MOSFET 应用于商用车主逆变器的 OEM 厂商。2020 年 12 月,丰田汽车推出并公开发售“Mirai”燃料电池电动汽车,是丰田汽车首次开始使用碳化硅功率器件。
 
在新能源汽车方面,以上海为例,上海市经信委副主任张建民说,“规划到2025年,上海新能源汽车年产量超过120万辆,新能源汽车产值突破3500亿元,占上海汽车制造业产值35%以上。”
 
与此同时,上海不同区域也在积极布局以第三代半导体为代表的材料产业发展。上海市委常委、临港新片区党工委书记朱芝松说,“新片区正在积极发挥集成电路产业集聚优势,加强汽车电子尤其是汽车芯片领域的技术攻关和布局,力争成为全球汽车芯片创新、创业的集聚地。”
 
成本高、技术人才匮乏成制约因素
 
由于晶体生长速率慢、制备技术难度较大,大尺寸、高品质碳化硅衬底生产成本依旧较高,碳化硅衬底较低的供应量和较高的价格一直是制约碳化硅基器件大规模应用的主要因素之一,限制了产品在下游行业的应用和推广。
 
华安证券分析说,行业发展的瓶颈目前在于碳化硅衬底成本高。目前碳化硅的成本是硅的四倍到五倍, 预计未来三年至五年价格会逐渐降为硅的2倍左右,碳化硅行业的增速取决于碳化硅产业链成熟的速度,且碳化硅器件产品参数和质量还未经足够验证。
 
山东天岳科创板招股书就表示,“短期内一定程度上限制了碳化硅器件在功率器件领域的渗透率,使得碳化硅材料即使在部分相对优势领域的大规模应用仍存较大挑战。”
 
东兴证券研报称,碳化硅行业仍处于成长期,从企业和竞争格局的角度看,技术问题尚未完全解决,先行者和传统龙头依靠着先发优势和工艺的成熟度构筑了明显的壁垒。“在新能源车等新增下游需求的带动下,碳化硅材料及相关器件需求有望迎来爆发式增长。”
 
此外,这一行业还面临高端技术和人才的缺乏等难题。
 
业内人士判断,未来碳化硅器件的价格有望持续下降,其行业应用将快速发展。目前,行业企业正通过多种措施降低碳化硅器件成本。在衬底方面,通过增大碳化硅衬底尺寸、升级制备技术、扩大衬底产能等,共同推动碳化硅衬底成本的降低;在制造方面,随着市场的开启,各大器件供应商扩产制造,随着规模扩大和制造技术不断成熟,也带来制造成本的降低;在市场方面,主要的产品供应商与大客户通过签订长期合作合同对市场进行锁定,供需双方共同推进市场渗透并形成良性循环。
 
赛迪顾问预测,到2025年,氮化镓在射频器件领域占比有望超过50%,市场规模有望冲破30亿美元。碳化硅方面,在2025年有望达到30亿美元,汽车市场将成为碳化硅市场规模增长的重要驱动力。
 
另据 Yole 报告,从全球市场来看,2019 年碳化硅功率器件的市场规模为 5.41 亿美元,受益于电动汽车、充电桩、光伏新能源等市场需求驱动,预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元,复合年增长率约 30%。碳化硅衬底的需求有望因此获益并取得快速增长。
 
亟需强化我国第三代半导体产业链自主可控能力
 
碳化硅被称为第三代半导体核心材料,碳化硅材料主要以在导电型碳化硅衬底上外延生长碳化硅外延层,应用在各类功率器件上,近年来随着技术工艺的成熟、制备成本的下降,在新能源领域的应用持续渗透。碳化硅材料将是未来新能源、5G通信领域中碳化硅、氮化镓器件的重要基础。
 
当前,我国正处于加快产业升级转型期,同时面临着美国强势的科技封锁。而碳化硅、碳基复合材料是当今世界科技界的新兴领域,尚处于行业起步阶段,国内外发展差距较小,有望成为我国科技产业弯道超车的重要赛道,因此受到国家高度重视。其实,近年来国家高度重视颠覆性技术发展,十四五规划草案及国家多次会议、文件提及碳化硅等产业。
 
随着新基建、“碳达峰、碳中和”的政策与规划密集推出,第三代半导体材料和器件应用于清洁能源领域如光伏、风电等,以及提升能源使用效率领域如直流特高压输电、新能源汽车、轨道交通等,将对实现“碳达峰、碳中和”起到至关重要的作用。
 
据CASA Research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,而2018年尚不足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。
 
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。国内同类企业之间在技术、产品、市场等方面的差距在加大,但仍未出现具有绝对优势的龙头企业,竞争格局仍未成型。
 
为此,全行业要进一步加强协作,统筹推进补齐短板和锻造长板,针对产业薄弱环节,实施好关键核心技术攻关工程,尽快解决一批‘卡脖子’问题,强化我国第三代半导体产业链自主可控能力。
 
东兴证券表示,碳基材料的意义不仅在于其本身的优异性能,其更是会对产业带来全方位的带动,第三代半导体器件主要的应用领域如新能源车、光伏和高铁等,未来的主战场都集中在中国,国内企业也与部分车企和家电企业等进行了配套和产业合作,国产器件逐渐导入终端产品供应链,为国内企业带来更多试用、改进的机会。碳化硅有望引领中国半导体进入“黄金时代”。(综合整理自:新华财经、半导体产业网等)
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