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【2020-2021年度专题】第三代半导体迎爆发风口,快充、电动车、5G受惠

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  【编者按】魔幻的2020年终于走完,期待已久的2021年如期而至。回顾2020,疫情深刻地影响了全球半导体产业的发展,更加剧了国际形势的复杂变迁,自主可控、贸易保护主义、去全球化成为关注焦点;与此同时,政策和资本持续加持,线上办公/教育、新能源汽车等新兴应用落地开花。在2021年到来之际,《集微网》特推出【2020-2021年度专题】,围绕热点话题、热门技术和应用、重大事件等多维度梳理,为上下游企业提供参考镜鉴。


  集微网报道 半导体行业从诞生至今,先后经历了三代材料的变更历程。第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(禁带宽度 Eg>2.3eV)的半导体材料。

  据了解,我国把大力支持发展第三代半导体产业,写入“十四五”规划,计划在2021-2025年期间,在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面,大力支持发展第三代半导体产业,以期实现产业独立自主。


  与我们熟悉的传统第一代、第二代半导体材料硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比,第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力。

  碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为第三代半导体的代表材料受到市场的关注。全球第三代半导体产业赛道已经开启,其制成芯片可被广泛用于新一代通信、电动车等热门新兴产业。

  第三代半导体迎风口

  半导体材料其实已经历经了三代的发展,第一代是四五十年代开始以锗、硅为代表的IV族半导体材料,把人类带进电子晶体管收音机的时代,而第二代是从上世纪六七十年代开始,以III-V族半导体的发展开辟了光电和微波应用。

  第三代半导体材料的出现最早是从八十年代开始,以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表,主导资源和能源节约,催生了新型照明、显示等新应用需求和产业。

  实际第三代半导体材料已经出现了很长时间,一般情况下这些材料的真正应用都需要至少十年以上的培育期。举一个例子,一个电子产品的核心部分有计算逻辑类器件(如CPU、GPU),也会有存储部分(RAM、硬盘),此外还会有提供电力和控制的模块。电子产品里面的各类器件,它的基础材料基本都是以硅Si为主,而第三代半导体就是要为未来提供能够比硅Si材料更加优良的器件核心材料。

  以第三代半导体的典型代表碳化硅(SiC)为例,碳化硅具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点,使得其器件适用于高频高温的应用场景。相较于硅器件,碳化硅器件可以显著降低开关损耗。因此,碳化硅可以制造高耐压、大功率的电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等,用于智能电网、新能源汽车等行业。

  与硅元器件相比,氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点,是超高频器件的极佳选择,适用于5G通信、微波射频等领域的应用。

  由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势,多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用,无法挑战硅基半导体的统治地位。不过在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下,第三代半导体材料有望迎来加速发展。硅基半导体的性能已无法完全满足5G和新能源汽车的需求,碳化硅和氮化镓等第三代半导体的优势被放大。

  此外,制备技术的进步使得碳化硅和氮化镓器件成本不断下降,碳化硅和氮化镓的性价比优势将充分显现。第三代半导体材料已被认为是当今电子产业发展的新动力,而其核心增长点将集中在碳化硅和氮化镓各自占优势的领域。

  西安电子科技大学微电子学院教授张进成在第三代半导体电子器件技术与产业发展现状和趋势的报告里面提到:“相比我国与国外以摩尔定律引领发展的先进制程接近2-3代的巨大差距,未来在摩尔定律接近极限的前提下,发展新材料研发会是半导体行业突破之一。”

  经历几十年的发展,硅材料的研究已经很成熟,而基于硅材料制造的器件在设计和开发也经历了几代的优化和更新,无可否认,硅材料的极限已经逐渐显现。第三代半导体属于后摩尔定律概念,制程和设备要求相对不高,难点在于第三代半导体材料的制备,同时在设计上要有优势。

  随着硅器件逐渐接近其理论极限值,利用第三代半导体材料制造的器件要比硅Si和砷化镓GaAs的性能更好。西电张进成认为:“相比较硅材料,第三代半导体材料制造器件可以令其变得更小、更快、更可靠、更高效。不单减少器件的质量、体积和生命周期成本,同时允许设备在更高的温度、电压、频率下工作,达到节能的同时也可以实现更高的性能表现。”

  根据Omdia的《2020年碳化硅和氮化镓功率半导体报告》,到2020年底,全球碳化硅和氮化镓功率半导体的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至8.54亿美元。未来十年的年均增长率将维持两位数,到2029年将超过50亿美元。

  快充市场有望快速增长

  2019年9月,OPPO发布国内首款氮化镓充电器SuperVOOC 2.0,充电功率为65W;2020年2月,小米推出65W 氮化镓充电器,体积比小米笔记本充电器缩小48%,并且售价创下业内新低。

  消费级氮化镓充电器市场兴起,小米成为第一家将氮化镓充电器单独零售的手机企业,而且售价创下业内新低。小米的加入直接加速氮化镓充电器的渗透,各大手机厂商会马上跟进。

  氮化镓具备导通电阻小、损耗低以及能源转换效率高等优点,由氮化镓制成的充电器还可以做到较小的体积。氮化镓充电器最主要的成本来自于氮化镓MOS功率芯片,昂贵的原材料导致了消费级氮化镓充电器价格高昂,但氮化镓充电器是实现快充突破的关键,未来将成为各大主流手机厂商的标。

  安卓端率先将氮化镓技术导入到快充领域,随着应用的逐步扩大,规模化效应会逐步凸显,成本将越来越低,氮化镓充电器的渗透率会加速上升。

  据充电头网统计,在智能手机行业中,目前已有华为、小米、OPPO、魅族、三星、努比亚、realme等多个品牌推出了氮化镓快充产品。电商方面,目前也有17家品牌先后推出了数十款氮化镓快充新品。已经出货的电源厂商超过100家。

  据了解,目前已经有厂商计划2021年继续把快充功率进一步提升,从现在商用的最高120W提高到125W,这需要继续在氮化镓材料上投入研发。

  作为国内已量产硅基氮化镓的企业,英诺赛科科技有限公司的董事长骆薇薇在2020国际第三代半导体论坛上透露:“预计2020年GaN快充的出货量达1000万个,2021年GaN快充的出货量将增长超过十倍、达到1.5亿~2亿个。另外,氮化镓功率芯片应用在手机上,将可使智能手机有更高的效率、更高的动态响应和更小的电源占比面积。”

  据Yole预测,受消费者快速充电器应用推动,到2024年氮化镓电源市场规模将超过3.5亿美元,CAGR为85%,有极大增长空间。从生产端看,氮化镓功率半导体已开始批量出货,不过其价格仍然昂贵。原因在于其制造成本仍然较高,这是因为氮化镓生产主要仍然使用6英寸及以下晶圆生产。一旦成本可降低到一定门槛,市场就会爆发。

  随着手机快充的激烈竞争展开,OPPO、vivo、小米等中国手机品牌将带动氮化镓功率市场快速增长。以往氮化镓功率器件领域一直由EPC,GaN Systems,Transphorm和Navitas等纯GaN初创公司主导,面对着氮化镓快速发展机遇,国内多家企业及机构正在完善氮化镓的国产化生态系统,实现产业链自主可控:氮化镓封装测试体系有华天科技、长电科技、嘉盛半导体(Carsem);磁材料有TDG(天通控股)、DMEGC(东磁);驱动、控制器有东科半导体、JOULWATT(杰华特微电子)等;测试体系有电子科技大学、中国赛宝实验室等。

  5G射频带动氮化镓产业发展

  目前,全球5G正式步入商用,无线基础设施,智能手机和物联网建设将快速增长。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。可以说,5G时代的到来让氮化镓站上了半导体行业的最强风口处,而随着新基建政策的落实和我国5G网络的大规模建设,5G射频的市场潜力将会十分巨大。

  氮化镓射频器件更能有效满足5G高功率、高通信频段的要求。5G基站以及快充两个领域复合增速较快,有望成为氮化镓市场快速增长的主要驱动力。

  目前从市场前景来看,我国推进5G商业化的脚步越来越快,尤其是今年的5G网络布网计划更是惊人,明显国内基站的建设力度在逐步扩大,而国内需求也将远大于国外。

  根据计划,预计2020年5G新建基站有望达到80w座以上,其中大部分将以“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式。5G商用宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主,单基站PA(射频功率放大器)需求量接近200个,而基站功率放大器主要为LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)技术,但是LDMOS技术适用于低频段,在高频领域存在局限性。

  西电张进成指出:“氮化镓GaN在功率密度上的优势使其芯片体积大大缩小,在5G此类高功率、高频率射频应用中,能够获得更高的带宽、更快的传输速率和更低的功耗。”

  “相同的性能下,GaN的射频芯片要比GaAs芯片面积降低10倍,比Si基LDMOS芯片面积降低7倍。”张进成补充。“LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过3.5GHz的频率范围内有效,相比之下,GaN 射频器件更能有效满足高功率、高通信频段和高效率等要求。”

  在5G时代对于射频器件高频高速的要求下,氮化镓GaN的射频器件迎来了机遇,其将会成为主流,并且会进一步压缩LDMOS的市场空间。据了解,GaN 能较好的适用于大规模 MIMO(多发多收 Multi InputMulti Output)通道。为了充分利用空间资源,提高频谱效率和功率效率,通过在基站侧安装几百上千根天线,实现大量天线同时收发数据。

  张进成表示:“5G基站会用到多发多收得天线阵列方案,而氮化镓GaN射频器件是可以有效减小天线系统功耗和尺寸。”单个5G宏基站的射频PA数量成倍上升将会带动氮化镓GaN射频器件的市场规模扩大。

  目前5G布网采用“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式,是网络广深覆盖的重要途径。除却宏基站外,小型和微型基站也是5G网络的重要组成部分。事实上由于5G主要采用3.5G及以上的频段,在室外场景下覆盖范围更小,受建筑物等阻挡,信号衰减更加明显,宏基站布设成本较高。此外宏基站占用面积较大,布设选址的难度高,因此5G网络的建设充分利用小基站布设简单快速的特性,令其跟宏基站配合组网,这是实现成本和网络最优的方案。

  随着5G网络建设如火如荼进行,含有GaN的基站射频PA实现爆发式增长机会很大。目前我国5G宏基站使用的PA数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,同比增长有望达到4倍。预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。

  在目前国际环境承压下,国内通信设备厂商龙头华为和中兴等相信也会加大基站PA的自研力度和对国内厂商的采购规模。这对于整个5G射频器件相关的公司均会受益。

  预计氮化镓无线基础设施的市场规模将从2018年的3.04亿美元增长至2024年的7.52亿美元,CAGR达16.3%。氮化镓射频功率市场规模从2018年的200万美元增长至2024年的10,460万美元,CAGR达93.38%,具有很大的成长空间。

  汽车电子市场加速导入碳化硅器件

  碳化硅作为第三代半导体另外一个重要代表,其将会受益于汽车电子化和电动车行业的快速发展迎来良好发展机遇。

  安芯投资管理有限公司首席执行官、创始合伙人王永刚在2020国际第三代半导体论坛上表示,2018年至2024年碳化硅的发展方向是新能源汽车市场,年复合增长率将达到29%。全部碳化硅器件市场,预计在2023年达到15亿美元。

  在新能源汽车领域,碳化硅器件主要可以应用于功率控制单元、逆变器、车载充电器等方面。碳化硅功率器件轻量化、高效率、耐高温的特性有助于有效降低新能源汽车的成本。

  2018年特斯拉Model 3采用了意法半导体生产的碳化硅逆变器,是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率模块的车企。以Model 3搭载的碳化硅功率器件为例,其轻量化的特性节省了电动汽车内部空间,高效率的特性有效降低了电动汽车电池成本,耐高温的特性降低了对冷却系统的要求,节约了冷却成本。

  自特斯拉在引入碳化硅MOSFET到主驱上并迅速量产后,国内新能源汽车也开始跟进,且得到了市场的广泛接受。作为关键的第三代半导体材料,碳化硅在过去两年发展迅速,起初碳化硅衬底供应不足,为了解决这个问题,Cree和数个关键公司签署了长期供货协议,并在2019年5月宣布未来五年投资10亿美元,扩展衬底生产线。此外英飞凌收购了具有衬底制造技术的Siltectra,ST收购了Norstel55%的股权等。

  “随着衬底产能的进一步扩大,缺陷密度进一步降低,生产效率进一步提高,第三代半导体,特别是碳化硅一定会在2021年有个非常好的爆发。”广东芯聚能半导体有限公司相关人士告诉记者。芯聚能是面向新能源汽车及一般工业产品功率芯片设计和功率模块开发制造的一家企业,专注于IGBT/SiC功率模块及功率器件研发、设计、封装、测试及营销业务。

  相信随着碳化硅晶圆厂的产量进一步提高,将会吸引国际头部大公司加入竞争。对于碳化硅器件,特别是MOSFET价格会进一步降低,这也为碳化硅器件拿下更多的市场份额创造了条件。芯聚能总裁周晓阳表示,目前车用碳化硅器件领域会有越来越多玩家进入,同时随着行业快速发展,整个市场布局也是瞬息万变。

  周晓阳认为,相比硅材料,碳化硅可实现更高结温,更高频率,更高耐压,这样就给电动汽车更有效的电驱控制,提高续航里程,减少电池消耗,也可减少整个电驱系统的体积与重量;可用于速度更快、容量更高的的车载充电方案;由于碳化硅优异的性能表现及本身成本的不断降低(材料工艺更加成熟),将带来系统级成本优势以及加速其在纯电动市场上的应用,基于此,碳化硅未来存在巨大的增长机会。

  尽管未来前景很好,但碳化硅芯片本身具有场强、能隙、热导率、熔点、电子迁移率等方面的新特性,对封装提出了新要求和挑战,要想从设计到产品量产,其中的工艺实现要经历诸多严苛的挑战。

  在碳化硅全球产业地图中,衬底领域有日本制铁集团、天科合达、同光晶体下的河北同光、泰科天润;外延领域有瀚天天成、东莞天域、昭和电工;设计领域有创能动力(APS香港团队)、上海詹芯电子等。而今年三安光电收购了北电新材,也是为了掌握上游碳化硅材料。

  产业合作,新跑道实现追赶

  在目前中美贸易摩擦加剧的环境下,美国对华为为首的中国科技公司的制裁力度越来越大,限制美国技术、软件、材料等方面的围剿。显然在摩尔定律下的先进制程技术,我国与国外的差距至少存在2-3代的水平,加上现在遭遇美国方面的技术封锁,要想在这条道路上实现快速追赶,基本是不可能。

  时至今天,以摩尔定律作为根基的硅材料发展已经遭遇瓶颈,世界上目前能量产7nm的晶圆厂也只有台积电和三星两家,5nm为台积电,而对于5nm以下更先进制程的探索和研究也确实只剩下台积电和三星两大玩家,诸如英特尔、格芯等厂商基本是退出了对更先进制程的研发。

  这说明单一追求制程精度的方式在当下是不可无限延续下去的,一方面需要投入巨大的研发资金,制程精度的提升将会越来越困难,另一方面制程精度的提升带来的性能提升相比以往要减少很多。

  “摩尔定律”核心内容:当价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。显然硅材料时代的摩尔定律发展已经走到极限,如果要半导体继续遵循摩尔定律发展,底层材料的突破变得尤为重要。

  美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展,它们认为突破的手段主要有两种,一是通过底层材料突破,第三代半导体材料是关键,除了氮化镓、砷化镓之外,碳化硅也是重要的方向;二是采用SIP等高密度封装方式,在一定时间里面满足性能提升的需求。

  国内半导体产业不断响起国产替代和自主可控的声音,而第三代半导体的兴起会是当中重要的出路。一方面目前已经进入第三代半导体产业的最佳发展窗口期,虽然国外包括美国、日本、欧盟等均已经开展相关研究和应用,但是国际半导体产业和设备等巨头还没完全形成产业、专利、标准、生态等垄断,窗口期至少有3年左右的时间。

  另一方面LED发展令我国具备了第三代半导体,特别是氮化镓的产业基础,不但有一定的技术和产业的积累,同时中国在制造设备、产业链配套、人才队伍的建设上都有不俗的基础。

  西电张进成道出了在第三代半导体在制造要求方面的关键:“以氮化镓的射频器件为例,其并不依靠先进工艺,即使不采用14nm甚至更先进的制程,同样可以实现器件全频段适用的先进性能,关键仍然是在材料上。”

  他接着补充:“虽然我们在微电子制造方面离世界水平还有一段距离,但三代半功率器件恰恰使用的是6英寸、8英寸线的工艺。可以使用落后工艺尺寸实现先进器件性能。”这会为我们第三代半导体的产业发展解决制造方面的难题,并不会如同手机等电子产品芯片的制造被卡脖子。

  第三代半导体的概念在2020年非常火热,随着各类投资的进行,中国大陆的第三代半导体公司(包括衬底,外延,芯片制造,封装测试,应用)都已经有一个长足的进步,发展非常迅速,在2021年相信能进一步缩小与国际水平的差距。

  不过同时也看到,国内在第三代半导体上的投资也出现一窝蜂的状况,能实现有效的商业化产能的就会不多。芯聚能方面坦言,虽然中国大陆的第三代半导体和国际先进水品的的差距比中国大陆硅基集成电路先进工艺和国际先进水平的差距小的多,但是差距也是全方位的,主要表现在材料,设备,检验检测能力等。

  “只有整个产业链加大合作力度,在每个细分环节都有几个关键企业协同攻关,才有可能尽快缩小和国际先进水平的差距。同时,互惠的国际合作是必不可少的。”芯聚能补充。

  如果按照产业的市场拉动来计算,预估第三代半导体在射频器件和功率器件两大领域的市场规模会到达接近5000-10000亿美元。在国外承压技术封锁的外部环境下,国家一系列的半导体发展政策,加上国内原有的技术产业积累,入局第三代半导体产业的厂商将会有宽阔的市场空间。

  毕竟中国随着5G时代到来,诸如5G基站和相关射频建设、新能源汽车等领域都需要第三代半导体材料和器件的支持,大势所趋,未来更可期。

  (校对/Andrew)

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