第三代半導(dǎo)體是以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為主的寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點(diǎn)。
一、二、三代半導(dǎo)體什么區(qū)別?
一、材料第一代半導(dǎo)體材料,發(fā)明并實(shí)用于20世紀(jì)50年代,以硅(Si)、鍺(Ge)為代表,特別是硅,構(gòu)成了一切邏輯器件的基礎(chǔ)。我們的CPU、GPU的算力,都離不開硅的功勞。第二代半導(dǎo)體材料,發(fā)明并實(shí)用于20世紀(jì)80年代,主要是指化合物半導(dǎo)體材料,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表。
其中砷化鎵在射頻功放器件中扮演重要角色,磷化銦在光通信器件中應(yīng)用廣泛……而第三代半導(dǎo)體,發(fā)明并實(shí)用于本世紀(jì)初年,涌現(xiàn)出了碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等具有寬禁帶(Eg>2.3eV)特性的新興半導(dǎo)體材料,因此也被成為寬禁帶半導(dǎo)體材料。
二、帶隙
第一代半導(dǎo)體材料,屬于間接帶隙,窄帶隙;第二代半導(dǎo)體材料,直接帶隙,窄帶隙;第三代半導(dǎo)體材料,寬禁帶,全組分直接帶隙。和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比,更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓與更快的開關(guān)頻率下運(yùn)行。
三、應(yīng)用:
第一代半導(dǎo)體材料主要用于分立器件和芯片制造;第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件,也是制作高性能微波、毫米波器件的優(yōu)良材料,廣泛應(yīng)用在微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光器和衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體材料廣泛用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件,應(yīng)用于半導(dǎo)體照明、5G通信、衛(wèi)星通信、光通信、電力電子、航空航天等領(lǐng)域。
第三代半導(dǎo)體材料已被認(rèn)為是當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力。以第三代半導(dǎo)體的典型代表碳化硅(SiC)為例,碳化硅具有高臨界磁場(chǎng)、高電子飽和速度與極高熱導(dǎo)率等特點(diǎn),使得其器件適用于高頻高溫的應(yīng)用場(chǎng)景,相較于硅器件,碳化硅器件可以顯著降低開關(guān)損耗。
因此,碳化硅可以制造高耐壓、大功率的電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等,用于智能電網(wǎng)、新能源汽車等行業(yè)。與硅元器件相比,氮化鎵具有高臨界磁場(chǎng)、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點(diǎn),是超高頻器件的極佳選擇,適用于5G通信、微波射頻等領(lǐng)域的應(yīng)用。
第三代半導(dǎo)體材料具有抗高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等特性,相比第一代硅基半導(dǎo)體可以降低50%以上的能量損失,同時(shí)使裝備體積減小75%以上。第三代半導(dǎo)體屬于后摩爾定律概念,制程和設(shè)備要求相對(duì)不高,難點(diǎn)在于第三代半導(dǎo)體材料的制備,同時(shí)在設(shè)計(jì)上要有優(yōu)勢(shì)。
第三代半導(dǎo)體現(xiàn)狀
由于制造設(shè)備、制造工藝以及成本的劣勢(shì),多年來第三代半導(dǎo)體材料只是在小范圍內(nèi)應(yīng)用,無法挑戰(zhàn)硅基半導(dǎo)體的統(tǒng)治地位。目前碳化硅襯底技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單,國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)4英寸量產(chǎn),6英寸的研發(fā)也已經(jīng)完成。氮化鎵(GaN)制備技術(shù)仍有待提升,國(guó)內(nèi)企業(yè)目前可以小批量生產(chǎn)2英寸襯底,具備了4英寸襯底生產(chǎn)能力,并開發(fā)出6英寸樣品。
第三代半導(dǎo)體的機(jī)遇
在5G和新能源汽車等新市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下,第三代半導(dǎo)體材料有望迎來加速發(fā)展。硅基半導(dǎo)體的性能已無法完全滿足5G和新能源汽車的需求,碳化硅和氮化鎵等第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)被放大。
另外,制備技術(shù)的進(jìn)步使得碳化硅和氮化鎵器件成本不斷下降,碳化硅和氮化鎵的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)將充分顯現(xiàn)。初步判斷,第三代半導(dǎo)體未來的核心增長(zhǎng)點(diǎn)將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。
一、碳化硅(SiC)
常被用于功率器件,適用于600V下的高壓場(chǎng)景,廣泛應(yīng)用于新能源汽車、充電樁、軌道交通、光伏、風(fēng)電等電力電子領(lǐng)域。新能源汽車以及軌道交通兩個(gè)領(lǐng)域復(fù)合增速較快,有望成為碳化硅市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。
計(jì)到2023年,碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過15億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為31%。
1.新能源汽車
在新能源汽車領(lǐng)域,碳化硅器件主要可以應(yīng)用于功率控制單元、逆變器、車載充電器等方面。碳化硅功率器件輕量化、高效率、耐高溫的特性有助于有效降低新能源汽車的成本。
2018年特斯拉Model 3采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的碳化硅逆變器,是第一家在主逆變器中集成全碳化硅功率模塊的車企。
以Model 3搭載的碳化硅功率器件為例,其輕量化的特性節(jié)省了電動(dòng)汽車內(nèi)部空間,高效率的特性有效降低了電動(dòng)汽車電池成本,耐高溫的特性降低了對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求,節(jié)約了冷卻成本。
此外,近期新上市的比亞迪漢EV也搭載了比亞迪自主研發(fā)并制造的高性能SiC-MOSFET 控制模塊。
2.軌道交通
在軌道交通領(lǐng)域,碳化硅器件主要應(yīng)用于軌交牽引變流器,能大幅提升牽引變流裝置的效率,符合軌道交通綠色化、小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。近日完成調(diào)試的蘇州3號(hào)線0312號(hào)列車是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于碳化硅變流技術(shù)的牽引系統(tǒng)項(xiàng)目。
采用完全的碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)替代傳統(tǒng)IGBT技術(shù),在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)降低了噪聲,提升了乘客的舒適度。
二、氮化鎵(GaN)
側(cè)重高頻性能,廣泛應(yīng)用于基站、雷達(dá)、工業(yè)、消費(fèi)電子領(lǐng)域:1.5G基站氮化鎵射頻器件更能有效滿足5G高功率、高通信頻段的要求。
5G基站以及快充兩個(gè)領(lǐng)域復(fù)合增速較快,有望成為氮化鎵市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。基于氮化鎵工藝的基站占比將由50%增至58%,帶來大量氮化鎵的新增需求。預(yù)計(jì)到2022年,氮化鎵器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過25億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為17%。
2.快充
氮化鎵具備導(dǎo)通電阻小、損耗低以及能源轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),由氮化鎵制成的充電器還可以做到較小的體積。安卓端率先將氮化鎵技術(shù)導(dǎo)入到快充領(lǐng)域,隨著氮化鎵生產(chǎn)成本迅速下降,氮化鎵快充有望成為消費(fèi)電子領(lǐng)域下一個(gè)殺手級(jí)應(yīng)用。預(yù)計(jì)全球氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模從2018年的873萬美元增長(zhǎng)到2024年的3.5億美元,復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到85%。
2019年9月,OPPO發(fā)布國(guó)內(nèi)首款氮化鎵充電器SuperVOOC 2.0,充電功率為65W;2020年2月,小米推出65W 氮化鎵充電器,體積比小米筆記本充電器縮小48%,并且售價(jià)創(chuàng)下業(yè)內(nèi)新低。隨著氮化鎵技術(shù)逐步提升,規(guī)模效應(yīng)會(huì)帶動(dòng)成本越來越低,未來氮化鎵充電器的滲透率會(huì)不斷提升。
中國(guó)三代半導(dǎo)體材料中和全球的差距一、中國(guó)以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料和國(guó)際一線水平差距最大1.生產(chǎn)設(shè)備幾乎所有的晶圓代工廠都會(huì)用到美國(guó)公司的設(shè)備,2019年全球前5名芯片設(shè)備生產(chǎn)商3家來自美國(guó);而中國(guó)的北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、上海微電子等中國(guó)優(yōu)秀的芯片公司只是在刻蝕設(shè)備、清洗設(shè)備、光刻機(jī)等部分細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破,設(shè)備領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化率還不到20%。
2.應(yīng)用材料
美國(guó)已連續(xù)多年位列第一,我國(guó)的高端光刻膠幾乎依賴進(jìn)口,全球5大硅晶圓的供應(yīng)商占據(jù)了高達(dá)92.8%的產(chǎn)能,美國(guó)、日本、韓國(guó)的公司具有壟斷地位。
3.生產(chǎn)代工
2019年臺(tái)積電市場(chǎng)占有率高達(dá)52%,韓國(guó)三星占了18%左右,中國(guó)最優(yōu)秀的芯片制造公司中芯國(guó)際只占5%,且在制程上前面兩個(gè)相差30年的差距。
二、中國(guó)以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料已經(jīng)有突破的跡象
1.砷化鎵晶圓環(huán)節(jié)
據(jù)Strategy Analytics數(shù)據(jù),2018年前四大砷化鎵外延片廠商為IQE(英國(guó))、全新光電(VPEC,臺(tái)灣)、住友化學(xué)(Sumitomo Chemicals,日本)、英特磊(IntelliEPI,臺(tái)灣),市場(chǎng)占有率分別為54%、25%、13%、6%。CR4高達(dá)98%。
2.砷化鎵晶圓制造環(huán)節(jié)(Foundry+IDM)
臺(tái)灣系代工廠為主流,穩(wěn)懋(臺(tái)灣)一家獨(dú)大,占據(jù)了砷化鎵晶圓代工市場(chǎng)71%的市場(chǎng)份額,其次為宏捷(臺(tái)灣)與環(huán)宇(GCS,美國(guó)),分別為9%和8%。
3.砷化鎵元器件
砷化鎵元器件產(chǎn)品(PA為主),也是以歐美廠商為主,最大的是Skyworks(思佳訊),市場(chǎng)占有率為30.7%;其次為Qorvo(科沃,RFMD和TriQuint合并而成),市場(chǎng)份額為28%;第三名為Avago(安華高,博通收購)。
這三家都是美國(guó)企業(yè)??梢姡谏榛壢螽a(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)(晶圓、晶圓制造代工、核心元器件),目前都以歐美、日本和臺(tái)灣廠商為主導(dǎo)。中國(guó)企業(yè)起步晚,在產(chǎn)業(yè)鏈中話語權(quán)不強(qiáng)。
不過從三個(gè)環(huán)節(jié)來看,已經(jīng)有突破的跡象。如華為就是將手機(jī)射頻關(guān)鍵部件PA通過自己研發(fā)然后轉(zhuǎn)單給三安光電代工的。
三、中國(guó)在以氮化鎵和碳化硅為代表第三代半導(dǎo)體材料方面有追趕和超車的機(jī)會(huì)由于第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)明并實(shí)用于本世紀(jì)初年,各國(guó)的研究和水平相差不遠(yuǎn),國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和專家認(rèn)為第三代半導(dǎo)體材料成了我們擺脫集成電路(芯片)被動(dòng)局面、實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車的良機(jī)。
就像汽車產(chǎn)業(yè),中國(guó)就是利用發(fā)展新能源汽車的模式來拉近和美、歐、日系等汽車強(qiáng)國(guó)的距離的,并且在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車、換道超車的局面。
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