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中国第三代半导体的崛起之路!

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  以碳化硅为代表的第三代半导体开始逐渐受到市场的重视,国际上已形成完整的覆盖材料,器件,模块和应用等环节的产业链,全球新一轮的产业升级已经开始。

  那么到底什么是第三代半导体呢?为什么说第三代半导体有望成为国产替代希望?

  

  半导体历程

  氮化镓,被誉为第三代半导体的理想材料,那么什么是“第三代半导体”?

  第一代材料是硅(Si),大家通俗理解的硅谷,就是第一代半导体的产业园。

  第二代材料是砷化镓(GaAs),为4G时代而生,目前的大部分通信设备的材料。

  第三代材料目前比较成熟的有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等,未来5G时代的标配。

  第三代半导体是5G、人工智能、工业互联网等多个“新基建”产业的重要材料,同时也是世界各国半导体研究领域的热点。

  硅作为集成电路最基础的材料,构筑了整个信息产业的最底层支撑。人类对硅性能的探索已经非常成熟,然而一些固有的缺点却无法逾越,如光学性能、高压高频性能等。与此同时第三代半导体以其恰好弥补硅的不足而逐步受到半导体行业青睐,成为继硅之后最有前景的半导体材料。

  第三代半导体材料主要可应用于光电、电力电子、和微波射频三大领域。

  从当前来看,碳化硅目前主要是用在650V以上的高压功率器件领域,而氮化镓主要是用在650V以下的中低压功率器件领域及微波射频和光电领域。不过未来,氮化镓也有机会进一步往600~900V发展。

  氮化镓是未来最具增长潜质的化合物半导体,能迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域。

  市场前景

  日前,阿里巴巴达摩院预测了2021年科技趋势,其中位列第一的是以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体将迎来应用大爆发。

  国家2030计划和“十四五”国家研发计划已明确第三代半导体是重要发展方向。

  计划在2021-2025年期间,举全国之力,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,以期实现技术与生产独立,自给自足,不再受制于外部限制。

  以碳化硅为代表的第三代半导体开始逐渐受到市场的重视,国际上已形成完整的覆盖材料,器件,模块和应用等环节的产业链,全球新一轮的产业升级已经开始。

  目前氮化镓通过其高频开关速度特性,提升电源转化效率,降低充电头发热,帮助充电器小型化。

  因此氮化镓充电器同等功率下体积更小,同等体积下功率更大。

  在射频器件领域,目前GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)两者占比相差不大。但至2025年,砷化镓市场份额基本维持不变的情况下,氮化镓有望异军突起,占据射频器件市场约50%的份额。

  目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子,如军事通讯、电子干扰、雷达等领域;在民用领域,氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。

  基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一。

  全球每年新建约150万座基站,未来5G网络还将补充覆盖区域更小、分布更加密集的微基站,对氮化镓器件的需求量将大幅增加。

  此外,国防市场在过去几十年里一直是氮化镓开发的主要驱动力,目前已用于新一代空中和地面雷达。随着5G高频通信的商业化,氮化镓将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。

  再者氮化镓快充带动产业链中游功率芯片放量。

  总之,氮化镓功率器件在高频、高转换效率、低损耗、耐高温性能上完胜硅器件,随着下游应用端市场的扩大,规模化效应显现,以硅作为衬底材料的氮化镓外延成本将越来越低,最终在高端应用领域取代硅器件。

  行业机会

  目前,我国在光电大部分领域实现领跑,而在功率器件及射频器件方面的发展还处于跟跑和并跑阶段,因此,我国对第三代半导体器件的研究极其迫切,需加快其产业发展。

  在LED产业工艺日趋成熟,价格竞争激烈的情况下,提前布局未来前景开阔的蓝海市场不失为极具前瞻性的战略选择。

  另外快充和无线充电等终端市场的扩大,吸引了一批有技术积累的公司扩产,其中包括台积电、日本松下等国外知名企业,国内企业包括三安光电、海特高新和赛微电子。

  世界范围内,氮化镓产能集中于IDM厂商,逐渐向垂直分工合作模式转变。在该领域,美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。近年来随着产品和市场的多样化,开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。

  IDM企业主要为功率半导体企业,国内功率半导体企业实力不断增强,产业结构不断优化,下游工控汽车市场对高端产品需求不断增加,迎来产品量价齐升

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