2021年,随着各国于5G通讯、消费性电子、工业能源转换及新能源车等需求拉升,驱使如基站、能源转换器(Converter)及充电桩等应用需求大增,使得第三代半导体 GaN 及 SiC 元件及模组需求强劲。根据CASA数据,2020年,我国第三代半导体整体产值超过7100亿。从年初开始,多重利好消息也在刺激着人们对于第三代半导体业的关注。8月14日,工信部正式宣布将碳化硅(SiC)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。行业投资水涨船高、新玩家入场、需求不断涌现,第三代半导体市场也扬起了浪。
碳化硅、氮化镓已趋于成熟
第三代半导体是5G时代高频化、轻薄化应用的优选。5G、新能源汽车等新兴领域要求硬件拥有更好的性能,半导体产品的效率要求也会随之提高,半导体材料的代际划分显现。第三代半导体指的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化物半导体(如氧化锌ZnO)、III族氮化物(如氮化铝AlN)、金刚石半导体等宽禁带半导体材料。相较于第一代半导体材料(硅、锗)与第二代半导体材料(砷化镓、磷化铟),第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,在5G、毫米波通信、新能源汽车、光伏发电、航空航天等战略新兴产业的应用需求呈现激增。
碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)已是第三代半导体中发展最成熟的两个品种。碳化硅(SiC)具有工作温度更高、开关和导通损耗更低的特性,适合太阳能逆变器、工业电源以及新能源汽车主控电路。而氮化镓(GaN)由于其高电子迁移率和高电子饱和速度特性,适合高速和高功率元件,比较典型的应用场景是下一代无线通讯系统。SiC的性能使其在高于1200V的高电压、大功率应用上颇具优势,而GaN功率器件更适合40-1200V的高频应用,尤其是在600V/3KW以下的应用场合。
碳化硅(SiC)
碳化硅(SiC)主要可应用于电力电子器件和微波射频领域,细分领域包括车、光伏、消费电子等。而由导电型碳化硅衬底制成的功率半导体器件包括:结势垒肖特基功率二极管(JBS)、PiN功率二极管和混合PiN肖特基二极管(MPS);金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和门极可关断晶闸管(GTO)等,能够应用于电子电气领域中新能源汽车、光伏发电等方面。而由半绝缘型衬底制成的射频半导体器件包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等,可广泛应用于5G通讯、卫星、雷达等领域。
氮化镓(GaN)
目前氮化镓单晶生长尺寸在2英寸和4英寸,一般不作为衬底材料,而是采用异质外延技术生长GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及蓝宝石基氮化镓外延器件等。在器件及应用方面,首先,GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作为微波射频器件,应用于5G 通信、雷达预警、卫星通讯等方面。
此外,GaN宽带隙功率晶体管可以在高压和高开关频率条件下提供高功率效率,使其能够应用于智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等电力电子方向,其性能远远超过硅MOSFET产品。根据Yole数据,GaN射频全球市场在2018年为6.45亿美元,预计2024年达到约 20亿美元;在GaN电源市场方面,受消费者快速充电器应用推动,到2024 年全球市场规模将超过3.5亿美元。基于硅衬底GaN还可制造蓝光LED和白光LED,GaN因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料,可应用在包括灭火抑爆系统、紫外制导、紫外通信等在内的军事领域,以及火焰探测、电晕放电检测、医学监测诊断等在内的民用领域。
除SiC、GaN外,第三代半导体还包括众多其他材料,包括III族氮化物(AlN、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等)、氧化物半导体(包括ZnO, CaTiO3, IGZO, β-Ga2O3 ,TiO2)以及金刚石半导体等。碳化硅基氮化镓技术开始的,它在20多年前即已推出,现已成为RF功率应用方面LDMOS和GaAs的有力竞争者。碳化硅基、氮化镓打头,硅基氮化镓紧跟,硅基氮化镓除了军用雷达领域的深度渗透,它还是华为、诺基亚、三星等电信原始设备制造商(OEM)5G大规模MIMO基础设施的首选。
增速方面,第三代半导体在功率器件的增速和体量都要大于微波射频。微波领域在2020年已经达到顶峰,因为5G建设的放缓,今年可能会有所下滑。故此推测,第三代半导体真正的应用领域还是在功率器件或者电力电子器件,市场渗透主要包括新能源汽车和光伏逆变器。
国内生态逐渐建立
第三代半导体仍是个新兴技术,全球市场处于初期阶段。第三代半导体产业链主要包含衬底、外延材料、器件设计、制造、模块和应用这几个环节。外延与器件设计方面,由于技术相对简单,门槛不高,目前国内外差距较小;而器件制造则是另一个差距较大的方面,国外由于发展较早,在制造的过程中累积了大量的产业,其产品拥有较高的良率和可靠性。
国内第三代半导体器件已经迅速进入了新能源汽车、光伏逆变、5G 基站、PD 快充等应用领域,碳化硅主要应用在新能源汽车和工控等领域,氮化镓器件主要应用在5G基站等领域。2020 年我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过 100 亿元,同比增长 69.5%。其中,SiC、GaN 电力电子产值规模达 44.7 亿元,同比增长 54%;GaN 微波射频产值达到 60.8亿元,同比增长 80.3%。
近年来,国内在第三代半导体及其衬底方面为了赶上国外的步伐投入很大,但仅分散在功率器件应用领域;IDM和代工服务方面,与国际上量产6英寸,正在建设8英寸量产工厂的水平还存在差距。另外,门槛更高的碳化硅将长期以IDM为主,在美日两家独大的产业格局下,中国厂商的机会也受到了一定的挤压。
在我国政策力度的带动下,国内第三代半导体材料的主流企业积极布局,市场容量扩大且产业链合作水平不断提高。中电科55所已是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装领域实现全产业链的企业单位。而泰科天润已经量产SiC SBD,产品涵盖600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A系列。深圳基本半导体则拥有3D SiC技术,推出了1200V SiC MOSFET产品。瀚薪独创集成型碳化硅JMOSFET结构技术,推出全球唯一量产的SiC JMOS产品,实现了碳化硅的DMOSFET和JBS(肖特基二极管)的芯片内集成。另外值得关注的是,近年来,SiC晶片作为衬底材料的应用正在逐步走向成熟,成本呈现明显下降趋势,具备了大规模产业化应用的基础。
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