中国加入全球“四巨头”,这个新领域,即将爆发!

日期:2022-09-02 阅读:726
核心提示:如果稍稍关心电子数码产品,氮化镓这3个字,想必你已经听得耳朵起茧子了。从2年前被小米拿来当做王牌卖点大肆宣传的新贵,到现在
 如果稍稍关心电子数码产品,“氮化镓”这3个字,想必你已经听得耳朵起茧子了。

从2年前被小米拿来当做王牌卖点大肆宣传的“新贵”,到现在几乎成为新产品的标配,氮化镓在短时间内普及到了千家万户。

事实上,说氮化镓材料是“新贵”不太贴切,早在30年前,这种材料就已经被用在半导体上。

1、搭桥铺路

导体行业发展近百年,已经经历了3代半导体晶圆材料的革新。第1代半导体是锗和硅;第2代半导体以砷化镓、磷化铟为代表;氮化镓则属于第3代半导体材料,与其同类的还有碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等。

其中,氮化镓和碳化硅是目前研究最为火热的第3代半导体材料,被称为第3代半导体的“双子星”。

在氮化镓和碳化硅中,碳化硅热导率较高,使得其在高功率应用中占据统治地位;由于氮化镓具有更高的电子迁移率,具有更高的开关速度,在高频率应用领域,氮化镓具备优势。

一般说来,电压300-600V的环境下,氮化镓有优势;在600V以上的环境下,碳化硅有优势。

所以现在可以看见,碳化硅功率器件在电动汽车身上越来越多见,而氮化镓的应用领域更多,先伴随着家用电器开枝散叶。

那么,比起第1代和第2代半导体,第3代半导体的进步在哪里呢?

从名字就能看出来——第3代半导体又称作“宽禁带半导体”,其核心优势就在“宽禁带”上。

先简单科普一下“禁带”的概念。

初中化学内容:一个物体能否导电以及导电能力强不强,取决于其能否产生自由流动的电子以及产生自由电子的能力。金属类元素的原子核对外层电子的束缚能力较弱,因此表现为良导体;非金属元素原子核对于外层电子束缚能力强,因此外层电子不能自由流动,成为了绝缘体。

而半导体在二者之间——它本身不导电,但是在一定的状况下,比如掺进杂质后,就可以导电。

在固体中,原子外的电子会分成不同能级,当原子间相互作用导致能级移动时,就产生了一组差别很小的能级,也就是能带。其中,电子从最低能级开始依次向上填充,被填满的能带称为满带,满带中能量最高的一条称为价带。由于已经挤满了电子,可以认为价带中的电子是不导电的

从价带继续往上,就是没有被填满的能带,由于这个能带几乎是空的,所以电子可以自由移动,这个能带就是导带。在导带和价带之间的就是禁带。换句话说,禁带就是电子从价带“突破”到导带所需的能量。

简单打个比方,满带就像半导体内一条挤满电子的公路A,导带则是旁边是一条空荡荡的公路B,禁带是公路A和公路B之间的沟,价带则是公路A上最靠近公路B的车道。

如果沟太宽,电子没办法从公路A跳到公路B上去,交通便陷入彻底瘫痪,这就是绝缘体;如果沟很窄,电子很容易走上公路B,交通就会立刻顺畅起来,这就是金属。半导体就是在公路A和公路B之间搭了一座升降桥,实现电子可控地移动。

从这里我们可以知道,半导体的禁带不能太窄,否则只需很小的能量就能让所有电子自由移动。半导体就变成了导体,上面的电流不再可控。

更关键的是,这种情况是不可逆的,所有电子成为自由电子后,化学键就破裂了,材料本身发生了变性。一旦化学键破裂,就会和环境中的其他原子,例如氧,形成新的化学键,就不再是晶体了。

反过来,禁带宽的好处有很多。比如和前面说的相反,禁带越宽,意味着这个材料本身越难成为导体,可以承受的电压也就越高,用它制作半导体器件也就能承受更高的功率和温度。

进而,相对于原来的硅器件,同样电压等级下,宽禁带半导体的die(从晶圆上切割下的芯片)可以做得更小,从而让干扰半导体元件性能的寄生参数更小,发热更小。寄生参数小则带来导通速度快、反向恢复电流小、开关损耗小、承受温度高等优势。

指标上可以看出,第3代半导体几乎全面领先硅和砷化镓:

2、年增70%的产业

虽说已经出现30多年,但早前,氮化镓的应用主要集中在半导体照明行业,而最被看好,也是当前讨论最热烈的,是其在电力电子领域的前景。

在这方面,目前处于美国、欧洲、日本、中国“四足鼎立”状态。

氮化镓产业链和传统半导体产业类似,包括原材料→器件制造→应用三大环节,器件又可以细分成IC设计→芯片制造→芯片封装3个小环节。

美日欧从2000年就开始通过国家级创新中心、联合研发等形式,抢占第三代半导体技术的战略制高点。

目前,日本在衬底方面处于绝对领先态势。住友电工、三菱化学、住友化学等,三家日商合计市场份额超过85%。

GaN 外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的 IQE、日本的 NTT-AT;GaN 器件设计厂商方面,美国的 EPC、MACOM、Transphom,德国的 Dialog 等为主要参与者;IDM企业中日本的住友电工与美国的 Cree 为行业龙头,市场占有率均超过 30%。

相较而言,中国第三代半导体兴起的时间较短。在缓慢孵化数年后,2013年,科技部863计划才首次将第三代半导体产业列为国家战略发展产业。

2016年,国务院国家新产业发展小组将第三半导体产业列为发展重点。这时候,中国才进入“第三代半导体发展元年”。

但是,这个产业实在太新了,新到还谈不上先进落后。

Yole研究显示,到2020年,氮化镓功率器件的整体市场规模只不过是0.46亿美元,射频器件市场规模也是8.91亿美元,加起来不到10亿美元,未来还有很长一段路要走。

中国在这方面的底气,一是来源于全面的产业布局。

目前,中国企业已经全面覆盖了这些环节,比如在射频领域,GaN衬底生产有维微科技、科恒晶体、镓铝光电等公司;外延片涉足企业有晶湛半导体、聚能晶源、英诺赛科等;苏州能讯、四川益丰电子、中科院苏州纳米所等公司则同时涉足多环节,力图形成全产业链公司。

二是来源于下游应用市场在本土的前景。

氮化镓应用范围广泛,作为支撑“新基建”建设的关键核心器件,其下游应用切中了 “新基建”中5G基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域。

此外,氮化镓的高效电能转换特性,能够帮助实现光伏、风电(电能生产),直流特高压输电(电能传输),新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源(电能使用)等领域的电能高效转换,助力“碳达峰,碳中和”目标实现。

上述这些,全都是国内正在高速发展的产业,且在不少领域拥有体量或技术优势,其势必会倒逼国内氮化镓产业的进步。

在其他方面,截至2021年底,我国累计建成并开通5G基站142.5万个,占全球60%以上。前瞻产业研究院预计,到2025年,预计累计建设的5G基站数目约在500万站,到2030年,预计5G宏基站和小基站新建数量合计可达1000万站。

在这方面,Yole预计,氮化镓射频器件的市场规模预计能在2026年增长至24亿美元,复合年均增长率为18%。

更值得关注的是和电动汽车、工业应用相关的功率应用方向。

据Yole预计,到2026年,氮化镓功率器件市场规模的复合年均增长率将高达70%,呈爆发态势。其中,电动汽车相关领域的年复合增长率更是高达185%。

在这方面,中国或成最大赢家。Canalys最新报告显示,在2021年全球汽车市场不景气,总销售量仅增长4%的情况下,电动汽车销量却同比增长109%,至650万辆。中国作为最重要的推动力量,售出320万辆电动汽车,占其中的一半。

如果看产量,势头更强。日本经济新闻根据英国调查公司LMC Automotive数据推算的结果显示,2021年全球纯电动汽车产量为399万辆,中国就生产了229万辆,占到整体的57.4%。

3、香饽饽

对于以氮化镓为代表的第三代半导体发展,国家鼎力扶持。

“十三五”时期以来,国家层面的政府部门发布了多项关于半导体行业、半导体材料行业的支持、引导政策,这些鼓励政策涉及减免企业税负、加大资金支持力度、建立产业研发技术体系等等。

在2021年的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”又被列为项目之一。

除了国家层面的支持政策外,我国地方各级政府也进一步支持氮化镓产业的发展,支持的方面包括集群培育、科研奖励、人才培育以及项目招商等,各地通过政策将实质性的人、财、物资源注入,推动着各地产业集聚加速。

资本当然不会错过这场盛宴。

据不完全统计,今年上半年,国内氮化镓领域已经完成了9家企业超过50亿融资,当中英诺赛科2月的D轮融资规模达到30亿人民币。同样主业为第三代半导体的启迪半导体以14.3亿元被上市公司长飞光纤并购,显示出这一全新半导体材料所受的高度关注。

来源:前瞻网




 

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