2021年,隨著各國(guó)于5G通訊、消費(fèi)性電子、工業(yè)能源轉(zhuǎn)換及新能源車等需求拉升,驅(qū)使如基站、能源轉(zhuǎn)換器(Converter)及充電樁等應(yīng)用需求大增,使得第三代半導(dǎo)體 GaN 及 SiC 元件及模組需求強(qiáng)勁。根據(jù)CASA數(shù)據(jù),2020年,我國(guó)第三代半導(dǎo)體整體產(chǎn)值超過7100億。從年初開始,多重利好消息也在刺激著人們對(duì)于第三代半導(dǎo)體業(yè)的關(guān)注。8月14日,工信部正式宣布將碳化硅(SiC)復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃,以全面突破關(guān)鍵核心技術(shù),攻克“卡脖子”品種。行業(yè)投資水漲船高、新玩家入場(chǎng)、需求不斷涌現(xiàn),第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)也揚(yáng)起了浪。

碳化硅、氮化鎵已趨于成熟

第三代半導(dǎo)體是5G時(shí)代高頻化、輕薄化應(yīng)用的優(yōu)選。5G、新能源汽車等新興領(lǐng)域要求硬件擁有更好的性能,半導(dǎo)體產(chǎn)品的效率要求也會(huì)隨之提高,半導(dǎo)體材料的代際劃分顯現(xiàn)。第三代半導(dǎo)體指的是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化物半導(dǎo)體(如氧化鋅ZnO)、III族氮化物(如氮化鋁AlN)、金剛石半導(dǎo)體等寬禁帶半導(dǎo)體材料。相較于第一代半導(dǎo)體材料(硅、鍺)與第二代半導(dǎo)體材料(砷化鎵、磷化銦),第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,在5G、毫米波通信、新能源汽車、光伏發(fā)電、航空航天等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求呈現(xiàn)激增。

碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)已是第三代半導(dǎo)體中發(fā)展最成熟的兩個(gè)品種。碳化硅(SiC)具有工作溫度更高、開關(guān)和導(dǎo)通損耗更低的特性,適合太陽能逆變器、工業(yè)電源以及新能源汽車主控電路。而氮化鎵(GaN)由于其高電子遷移率和高電子飽和速度特性,適合高速和高功率元件,比較典型的應(yīng)用場(chǎng)景是下一代無線通訊系統(tǒng)。SiC的性能使其在高于1200V的高電壓、大功率應(yīng)用上頗具優(yōu)勢(shì),而GaN功率器件更適合40-1200V的高頻應(yīng)用,尤其是在600V/3KW以下的應(yīng)用場(chǎng)合。

碳化硅(SiC)

碳化硅(SiC)主要可應(yīng)用于電力電子器件和微波射頻領(lǐng)域,細(xì)分領(lǐng)域包括車、光伏、消費(fèi)電子等。而由導(dǎo)電型碳化硅襯底制成的功率半導(dǎo)體器件包括:結(jié)勢(shì)壘肖特基功率二極管(JBS)、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管(MPS);金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管(BJT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)等,能夠應(yīng)用于電子電氣領(lǐng)域中新能源汽車、光伏發(fā)電等方面。而由半絕緣型襯底制成的射頻半導(dǎo)體器件包括射頻開關(guān)、LNA、功率放大器、濾波器等,可廣泛應(yīng)用于5G通訊、衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域。

氮化鎵(GaN)

目前氮化鎵單晶生長(zhǎng)尺寸在2英寸和4英寸,一般不作為襯底材料,而是采用異質(zhì)外延技術(shù)生長(zhǎng)GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及藍(lán)寶石基氮化鎵外延器件等。在器件及應(yīng)用方面,首先,GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作為微波射頻器件,應(yīng)用于5G 通信、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等方面。

此外,GaN寬帶隙功率晶體管可以在高壓和高開關(guān)頻率條件下提供高功率效率,使其能夠應(yīng)用于智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)電子等電力電子方向,其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅MOSFET產(chǎn)品。根據(jù)Yole數(shù)據(jù),GaN射頻全球市場(chǎng)在2018年為6.45億美元,預(yù)計(jì)2024年達(dá)到約 20億美元;在GaN電源市場(chǎng)方面,受消費(fèi)者快速充電器應(yīng)用推動(dòng),到2024 年全球市場(chǎng)規(guī)模將超過3.5億美元�；�于硅襯底GaN還可制造藍(lán)光LED和白光LED,GaN因其材料的高頻特性是制備紫外光器件的良好材料,可應(yīng)用在包括滅火抑爆系統(tǒng)、紫外制導(dǎo)、紫外通信等在內(nèi)的軍事領(lǐng)域,以及火焰探測(cè)、電暈放電檢測(cè)、醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)診斷等在內(nèi)的民用領(lǐng)域。

除SiC、GaN外,第三代半導(dǎo)體還包括眾多其他材料,包括III族氮化物(AlN、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等)、氧化物半導(dǎo)體(包括ZnO, CaTiO3, IGZO, β-Ga2O3 ,TiO2)以及金剛石半導(dǎo)體等。碳化硅基氮化鎵技術(shù)開始的,它在20多年前即已推出,現(xiàn)已成為RF功率應(yīng)用方面LDMOS和GaAs的有力競(jìng)爭(zhēng)者。碳化硅基、氮化鎵打頭,硅基氮化鎵緊跟,硅基氮化鎵除了軍用雷達(dá)領(lǐng)域的深度滲透,它還是華為、諾基亞、三星等電信原始設(shè)備制造商(OEM)5G大規(guī)模MIMO基礎(chǔ)設(shè)施的首選。

增速方面,第三代半導(dǎo)體在功率器件的增速和體量都要大于微波射頻。微波領(lǐng)域在2020年已經(jīng)達(dá)到頂峰,因?yàn)?G建設(shè)的放緩,今年可能會(huì)有所下滑。故此推測(cè),第三代半導(dǎo)體真正的應(yīng)用領(lǐng)域還是在功率器件或者電力電子器件,市場(chǎng)滲透主要包括新能源汽車和光伏逆變器。

國(guó)內(nèi)生態(tài)逐漸建立

第三代半導(dǎo)體仍是個(gè)新興技術(shù),全球市場(chǎng)處于初期階段。第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包含襯底、外延材料、器件設(shè)計(jì)、制造、模塊和應(yīng)用這幾個(gè)環(huán)節(jié)。外延與器件設(shè)計(jì)方面,由于技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單,門檻不高,目前國(guó)內(nèi)外差距較小;而器件制造則是另一個(gè)差距較大的方面,國(guó)外由于發(fā)展較早,在制造的過程中累積了大量的產(chǎn)業(yè),其產(chǎn)品擁有較高的良率和可靠性。

國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體器件已經(jīng)迅速進(jìn)入了新能源汽車、光伏逆變、5G 基站、PD 快充等應(yīng)用領(lǐng)域,碳化硅主要應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域,氮化鎵器件主要應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。2020 年我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)電力電子和射頻電子總產(chǎn)值超過 100 億元,同比增長(zhǎng) 69.5%。其中,SiC、GaN 電力電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá) 44.7 億元,同比增長(zhǎng) 54%;GaN 微波射頻產(chǎn)值達(dá)到 60.8億元,同比增長(zhǎng) 80.3%。

近年來,國(guó)內(nèi)在第三代半導(dǎo)體及其襯底方面為了趕上國(guó)外的步伐投入很大,但僅分散在功率器件應(yīng)用領(lǐng)域;IDM和代工服務(wù)方面,與國(guó)際上量產(chǎn)6英寸,正在建設(shè)8英寸量產(chǎn)工廠的水平還存在差距。另外,門檻更高的碳化硅將長(zhǎng)期以IDM為主,在美日兩家獨(dú)大的產(chǎn)業(yè)格局下,中國(guó)廠商的機(jī)會(huì)也受到了一定的擠壓。

在我國(guó)政策力度的帶動(dòng)下,國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體材料的主流企業(yè)積極布局,市場(chǎng)容量擴(kuò)大且產(chǎn)業(yè)鏈合作水平不斷提高。中電科55所已是國(guó)內(nèi)少數(shù)從4-6寸碳化硅外延生長(zhǎng)、芯片設(shè)計(jì)與制造、模塊封裝領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)單位。而泰科天潤(rùn)已經(jīng)量產(chǎn)SiC SBD,產(chǎn)品涵蓋600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A系列。深圳基本半導(dǎo)體則擁有3D SiC技術(shù),推出了1200V SiC MOSFET產(chǎn)品。瀚薪獨(dú)創(chuàng)集成型碳化硅JMOSFET結(jié)構(gòu)技術(shù),推出全球唯一量產(chǎn)的SiC JMOS產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了碳化硅的DMOSFET和JBS(肖特基二極管)的芯片內(nèi)集成。另外值得關(guān)注的是,近年來,SiC晶片作為襯底材料的應(yīng)用正在逐步走向成熟,成本呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),具備了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

(關(guān)鍵字：半導(dǎo)體)