第三代半导体材料产业驶上成长快车道
2020-08-22
14:00:05
来源: 半导体行业观察
来源：转载自「中国电子报」，谢谢
由于传统半导体制程工艺已近物理极限，技术研发费用剧增，制造节点的更新难度越来越大，“摩尔定律”演进开始放缓，半导体业界纷纷在新型材料和器件上寻求突破。以新原理、新材料、新结构、新工艺为特征的“超越摩尔定律”为产业发展带来新机遇。第三代半导体是“超越摩尔定律”的重要发展内容。与Si材料相比，第三代半导体材料拥有高频、高功率、抗高温、抗高辐射、光电性能优异等特点，特别适合于制造微波射频器件、光电子器件、电力电子器件，是未来半导体产业发展的重要方向。
以第三代半导体为基础制备的电子器件，是支撑新基建中5G基建、新能源汽车充电桩、特高压及轨道交通四大领域的关键核心。
世界多国均在积极发展建设5G。然而，5G网络建设、5G智能手机使用、5G基站建设等方面还处于初步建设阶段，存在较大的发展空间。赛迪顾问统计，截至2020年3月底，全球123个国家的381个运营商宣布过它们正在投资建设5G；40个国家的70个运营商提供了一项或多项符合3GPP标准的5G服务；63个运营商发布了符合3GPP标准的5G移动服务；34个运营商发布了符合3GPP标准的5G固定无线接入或家用宽带服务。赛迪顾问统计，截至2020年2月初，中国已开通了15.6万个5G基站，计划在2020年实现55万个5G基站的建设目标。截至2019年底，韩国计划在其85个城市建设23万个5G基站；美国计划建设60万个5G基站；德国计划建设4万个以上5G基站。GaN材料具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速率大、热导率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成为耐高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。在通信基站应用领域，GaN是未来最具增长潜质的第三代半导体材料之一。与GaAs和InP等高频工艺相比，GaN器件输出的功率更大；与LDCMOS和SiC等功率工艺相比，GaN的频率特性更好，GaN射频器件已成为5G时代较大基站功率放大器的候选技术。
为满足新能源汽车产业的发展需要，自2011年起，新能源汽车充电桩就一直处在快速建设的阶段。新能源汽车充电桩以公共充电桩为主，目前数量最多的经济体分别是中国、欧盟和美国。截至2019年底，美国和欧盟分别约有7.5万个和16.9万个公共充电桩。我国《电动汽车充电基础设施发展指南（2015—2020年）》规划，到2020年我国分散式充电桩的目标是超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求，车桩比近1∶1。充电模块是充电桩的核心部件，其成本占设备总成本的50%。充电模块可将电网中的交流电转换为可充电的直流电。此外，充电模块不仅能够提供能源电力，还可以对电路进行控制、转换，保证供电电路的稳定性。随着我国新能源汽车市场的不断扩大，充电桩市场发展前景也越来越广阔。SiC功率器件可以实现比Si基功率器件更高的开关频率，具备高功率密度、超小体积的特性。在体积小同时还能支持快速充电的要求下，几台车一起快速充电需要达到几百千瓦的功率，一个电动汽车充电站更是要达到百万瓦的功率，相当于一个小区用电的功率规模。传统的Si基功率器件体积较大，但SiC模块则可以实现以很小的体积满足功率上的“严苛”要求。因此SiC功率器件在充电模块中的渗透率不断增大。
中国由于国土面积较大、电力需求较强，因此中国积极发展特高压建设，且逐渐出口全球。相较于传统高压输电，特高压输电技术的输电容量将提升2倍以上，可将电力送达超过2500千米的输送距离，输电损耗可降低约60%，单位容量造价降低约28%，单位线路走廊宽度输送容量增加30%。由于功率半导体是电力电子的核心器件，因此作为功率半导体材料的SiC在直流特高压供应链中也有很多应用机会。SiC器件可以显著简化固态变压器的电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来提高单位功率密度。SiC器件可以替代LCC中使用的Si基晶闸管，SiCMOS可以替代VSC中使用的IGBT。目前，SiC器件已在中低压配电网启动应用。未来，更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电也将对万伏级以上的SiC功率器件有大量需求。
牵引变流器作为机车大功率交流传动系统的核心装置，为牵引系统提供动力，具有负载特性特殊、运行环境复杂和负载变化大等特点。由于全球城际高速铁路和城市轨道交通处于持续扩张的发展阶段，推动了轨道交通的绿色、智能化发展，也对牵引变流器及牵引电机的小型化、轻量化提出更高要求。将SiC器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大程度地发挥SiC器件耐高温、高频和低损耗的特点，提高牵引变流装置的效率，有利于推动牵引变流器装置的小型化和轻量化发展，有助于减轻轨道交通的载重系统。
2022年衬底及器件市场规模将达到15.21亿元及608.21亿元
在5G、新能源汽车、绿色照明、快充等新兴领域蓬勃发展及国家政策大力扶持的驱动下，2019年，我国第三代半导体衬底材料市场继续保持高速增长，市场规模达到7.86亿元，同比增长31.7%。预计未来三年中国第三代半导体衬底材料市场规模仍将保持20%以上的平均增长速度。2019年，我国第三代半导体器件市场规模达到86.29亿元，增长率达到99.7%。至2022年，第三代半导体器件市场规模将达到608.21亿元，增长率达到78.4%。
未来三年，SiC材料将成为IGBT和MOSFET等大功率高频功率半导体器件的基础材料，被广泛用于交流电机、变频器、照明电路、牵引传动领域。预计到2022年SiC衬底市场规模将达到9.54亿元。未来随着5G商用的扩大，现行厂商将进一步由原先的4G设备更新至5G。5G基地台的布建密度更甚4G，而基地台内部使用的材料为GaN材料，预计到2022年GaN衬底市场规模将达到5.67亿元。
GaN以及SiC器件由于技术还不成熟，成本较高，分别只占据了8.7%和4.5%的功率半导体市场份额。按照行业标准，SiC、GaN电力电子器件价格只有下降到Si产品价格的1/2到1/3倍，才能被市场广泛接受，下游市场渗透率才能大幅提升。随着工艺水平的逐步成熟以及产线良率的不断提升，第三代半导体器件后续仍有较大降价空间，未来GaN射频器件市场份额将持续增大。
目前，我国对于第三代半导体材料的投资热情势头不减。赛迪顾问整理统计，2019年共17个增产（含新建和扩产）项目（2018年6个），已披露的投资扩产金额达到265.8亿元（不含光电），较2018年同比增长60%。其中2019年SiC领域投资事件14起，涉及金额220.8亿元。GaN领域投资事件3起，涉及金额45亿元。在新基建的引领下，第三代半导体产业将成为未来半导体产业发展的重要引擎。
国内半导体企业应当把握“新基建”带来的新机遇。我国第三代半导体处于成长期，仍需要大规模资金投入、政策扶持，加大GaN、SiC的大尺寸单晶衬底的研发。此外，大尺寸单晶衬底的量产有助于降低器件成本、提高化合物半导体市场渗透率。各地政府为了推动我国第三代半导体材料产业的快速发展，成立了一批创新中心，以应用为牵引，以产业化需求为导向，加大科技创新，加强科技成果转化，抓住产业技术核心环节、推动产业上下游协同发展。例如，目前疫情防控工作仍然“任重道远”，可用于杀菌消毒的AlGaN紫外LED引发关注，加大研发投入和政策资金扶持，将有助于AlGaN紫外LED导入市场。
在投资方面，一方面国内企业应向IDM模式转型。第三代半导体材料的性能与材料、结构设计和制造工艺之间关联紧密，且制造产线投资额相对较低，因此国外多数企业为了保持竞争力，多采用IDM模式。随着衬底和器件制造技术的成熟和标准化，以及器件设计价值的提升，器件设计与制造分工的趋势日益明显。因此，国内企业为了确保企业自身的竞争优势，应向IDM模式发展。
另一方面应夯实支撑产业链的公共研发与服务等基础平台。建设战略定位高端、组织运行开放、创新资源集聚的专业化国家技术创新中心。支持体制机制创新、开放、国际化的、可持续发展的公共研发和服务平台。突破产业化共性关键技术，解决创新资源薄弱、创新成果转化难等问题。搭建国家级测试验证和生产应用示范平台，降低企业创新应用门槛。完善材料测试评价方法和标准，加强以应用为目标的基础材料、设计、工艺、装备、封测、标准等国家体系化能力建设。
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