全球半导体市场规模06年达到247.7亿美元。主要应用领域包括计算机、消费电子、通信等。在电子制造业转移和成本差异等因素的作用下，全球半导体产业向亚太地区转移趋势明显。我国内地半导体产业发展滞后于先进国家，内地企业多位于全球产业链的中下游环节。我国半导体产业成为全球产业链的组成部分，产量和产值提高迅速，但是产品技术含量和附加值偏低。
2007年半导体产业大幅波动，长远发展前景良好
半导体产业的硅周期难以消除。2007年上半年，在内存价格上升等因素作用下，全球半导体市场增速明显下滑。至2007年下半年，由于多余库存的降低、资本支出的控制，半导体市场开始回升。预计2008年，半导体产业增速恢复到一个较高的水平。长远来看，支撑半导体产业发展的下游应用领域仍然处在平稳发展阶段，半导体产业的技术更新也不曾停滞。产品更新与需求形成互动，推动半导体产业持续增长。
我国半导体市场规模增速远快于全球市场
我国半导体市场既受全球市场的影响，也具有自身的运行特点。
我国半导体应用产业中，PC等传统领域仍保持平稳增长，消费电子、数字电视、汽车电子、医疗电子等领域处于快速成长期，3G通信等领域处于成长前期。我国集成电路市场规模增速远快于全球市场，是全球市场增长的重要拉动元素。2006年，我国集成电路市场已经成为全球最大市场。
我国半导体产业规模迅速扩大，产业结构逐步优化
我国半导体产业规模同样快速提高。在封装测试业保持高速增长的同时，设计和制造业的比例逐步提高，产业结构得到优化。在相关管理部门、科研机构和企业的共同努力下，我国系统地开展了标准制定和专利申请工作，有效地保障本土企业从设计、制造等中上游产业链环节分享内地快速增长的电子设备市场。
分立器件、半导体材料行业是我国半导体产业的重要组成部分
集成电路是半导体产业的最大组成部分。分立器件、半导体材料和封装材料也是半导体产业的重要组成部分。我国内地分立器件和半导体材料市场和产业也处于快速增长之中。
上市公司
我国内地半导体产业上市公司面对诸多挑战。技术升级和产品更新是企业生存发展的前提。半导体材料生产企业有较强的定价能力，在保持产品换代的前提下，有较大的成长空间；封装测试公司整体状况较好；分立器件企业发展不均。
全球半导体产业简况
根据WSTS统计，2006年全球半导体市场销售额达2477亿美元，比2005年增长8.9%；产量为5192亿颗，比2005年增长14.0%；ASP为0.477美元，比2005年下降4.5%。
从全球范围来看，包括计算机(Computer)、通信(Communication)、消费电子(ConsumerElectronics)在内的3C产业是半导体产品的最大应用领域，其后是汽车电子和工业控制等领域。
美、日、欧、韩以及中国台湾是目前半导体产业领先的国家和地区。2006年世界前25位的半导体公司全部位于美国、日本、欧洲、韩国。2005年，美国和日本分别占有48%和23%的市场份额，合计达71%。韩国和台湾的半导体产业进步很快。韩国三星已经位列全球第二；台积电(TSMC)的收入在2007年上半年有了很大的提高，排名快速升至第6，成为2007年上半年进入前20名的唯一一家台湾公司，这从一个侧面反映了台湾代工业非常发达。
中国市场简况
中国已经成为全球第一大半导体市场，并且保持较高的增长速度。2006年，中国半导体市场规模突破5800亿，其中集成电路市场达4863亿美元，比2005年增长27.8%，远高于全球市场8.9%的增速。我国市场已经达到全球市场份额的四分之一强。
在市场增长的同时，我国半导体产业成长迅速。以集成电路产业为例，2006年国内生产集成电路355.6亿块，同比增长36.2%。实现收入1006.3亿元，同比增长43.3%。我国半导体产业规模占世界比重还比较低，但远高于全球总体水平的增长率让我们看到了希望。
中国集成电路的应用领域与国际市场有类似之处。2006年，3C(计算机、通信、消费电子)占了全部应用市场的88.5%，高于全球比例。而汽车电子1.3%的比例，比起2005年的1.1%有所提高，仍明显低于全球市场的8.0%。与此相对应的是，我国汽车市场销量呈增长态势，汽车电子国产化比例逐步提高。这说明，在汽车电子等领域，我国集成电路应用仍有较大成长空间。
我国在国际半导体产业中所处地位
我国半导体市场进口率高，超过80%的半导体器件是进口的。国内半导体产业收入远小于国内市场规模。
2006年国内IC市场规模达5800亿，而同期国内IC产业收入是1006.3亿。
我国有多个电子信息产品产量已经位居全球第一，包括台式机、笔记本电脑、手机、数码相机、电视机、DVD、MP3等。中国已超过美国成为世界上最大的集成电路产品应用国。但目前国内企业只能满足不到20%的集成电路产品需求，其他依赖进口。
中国大陆市场的半导体产品前十名的都是跨国公司。这十家公司平均21%的收入来自中国市场。这与中国市场占全球市场规模的比例基本吻合。2006年这十家公司在中国的收入总和占到中国大陆半导体市场规模的34.51%。上述两组数字从另一个侧面反映出跨国公司占有国内较高市场份额。国内半导体市场对进口产品依赖性高。
虽然我国半导体进口量非常大，但出口比例也非常高。2005年国内半导体产品有64%出口。这种现象被称为“大进大出”，主要是由我国产业链特点造成的。
总的来看，我国IC进口远远超过出口。据海关统计，2006年我国集成电路和微电子组件进口额为1035亿美元，出口额为200亿美元，逆差巨大。
由于我国具有劳动力竞争优势，国际半导体企业把技术含量相对较低、劳动密集型的产业链环节向我国转移。我国半导体产业逐渐成为国际产业链的一环。产业链调整和转移的结果是，我国半导体产业在低技术、劳动密集型和低附加值的环节得到了优先发展。2006年，我国IC设计、制造和封装测试业所占的比重分别是18.5%、30.7%和50.8%。一般认为比较合理的比例是3:4:3。封装测试在我国先行一步，发展最快，规模也最大，是全球半导体产业向中国转移比较充分的环节。而处于上游的IC设计成为最薄弱的环节。芯片制造业介于前两者之间，目前跨国公司已经开始把芯片制造逐步向我国转移，中芯国际等国内企业发展也比较快。
这样的产业结构特点说明，国内的半导体企业多数并未直接面对半导体产品的用户—电子设备制造商和工业、军事设备制造商，甚至多数也没有直接分享国内市场。更多的是充当国际半导体产业链的一个中间环节，间接服务于国际国内电子设备市场。这种结构，利润水平偏低，定价能力不强，客户结构对于企业业绩影响较大。究其原因，还是国内技术水平低，高端核心芯片、关键设备、材料、IP等基本依赖进口，相关标准和专利受制于人。国内企业发展也不够成熟，规模偏小，设计、制造、应用三个环节脱节。
与产业链地位相对应，我国大陆的企业多为Foundry(代工)企业，这与台湾的产业特点相类似。国际上大的半导体跨国公司多为IDM形式。
2007全球半导体市场波动，未来增长前景良好
半导体产业长期具有行业波动性
硅周期性依然将长期存在。这是由半导体产业所处的位置决定的。半导体产业本身具有较长的产业链环节。
同时，半导体产业本身是电子设备大产业链的一个中间环节。下游需求和价格变动等外在扰动因素、产业技术升级等内在扰动因素必然在整个产业链产生传导作用。传导过程存在延时，从而导致半导体公司的反应滞后。半导体产业只有提高自身的下游需求预见性，及早对价格、需求和库存等变动做出预测，从而尽量减小波动的幅度。但是，半导体产业的波动性将长期存在。
2006年全球手机销售量增加21%
2006年全球手机销售量为9.908亿部，同比增长21%，其中，2006年四季度售出2.84亿部，占全年28.5%。
Gartner预测2007年手机销量为12亿部，比2006年增加2亿部。手机市场增长平稳。手机作为个人移 动终端，除了通信和已经得到初步普及的音乐播放功能外，将集成越来越多的功能，包括GPS、手机电视等等。3G的逐渐部署也极大促进手机市场的增长。手机用芯片包括信号处理、内存和电源管理等。图9反映了手机用内存需求的增加情况。
2006至2011年全球数字电视机市场将增长一倍
iSuppli预测，从2006年至2011年全球数字电视机半导体市场将增长一倍，从71亿美元增至142亿美元。
数字电视机的芯片应用包括输入/输出电路、驱动电路、电源管理等方面。带动数字电视机增长的因素有多种，包括平板电视价格下降，新一代DVD播放机普及，高清电视推广等。此外，许多国家的政府都宣布了从模拟电视切换到数字电视广播系统的计划。例如，2009年2月17日，全美模拟电视将停播，全部切换为数字电视广播。
中国内地半导体产业的“生态”环境
中国大陆半导体产业作为国际产业链的一个环节，企业形态以代工型企业(foundry)为主，产业结构偏重封装测试环节，半导体制造快速发展，未来我国半导体产业与国际产业大环境的联系将愈发密切。
总的来看，国内企业规模和市场份额相对较小，产品单一，企业发展和技术水平还不够成熟稳定，行业处于成长期。下游通信、消费电子、汽车电子等产业同样是正在上升的市场，发展程度低于国际先进水平，发展速度快于国际平均水平。各种因素共同作用，使得我国半导体产业发展并非完全与国际同步，具备自身的产业“生态环境”，具有不同的发展特点。
2007年上半年，虽然全球市场增速只有2%，但我国内地依然保持了较高的增长速度。上半年中国集成电路总产量同比增长15.2%，达到192.74亿块。共实现销售收入总额607.22亿元，同比增长33.2%。收入增长与2006上半年的48%相比有所回落，部分是受国际市场的影响，但相当大的程度还是国内产业收入基数增大等因素及内在发展规律所致。
我国半导体市场和产业规模增长远快于全球整体增速
受益于国际电子制造业向我国内地转移，以及国内计算机、通信、电子消费等需求的拉动，我国内地半导体市场规模的增长远快于全球市场的增长速度，已经成为全球半导体市场增长的重要推动区域。
作为半导体产业的重要组成部分，国内集成电路产业规模也是全球增长最快的。上世纪90年代初，我国IC产业规模仅有10亿元，至2000年突破百亿元，用了近10年时间；而从2000年的百亿元增至2006年的千亿元，只用了6年时间。今年年底，中国集成电路产业收入总额有望超过全球8%，提前实现我国“十一五”规划提出的“到2010年国内集成电路产业规模占全球8%份额”的目标。
我国半导体应用产业处在高速发展阶段
PC、手机等传统领域发展依然平稳，同时多媒体播放GPS和手机电视为手机等移 动终端带来了新的增长点。
我国数字电视、3G、汽车电子、医疗电子等领域发展进程有别于国际水平，未来几年内将进入高速发展阶段，有力促进国内半导体需求。
抢占标准制高点，充分利用国内市场资源
其实，从目前的角度来看，我国市场规模的快速增长，国内企业在某种程度的程度还不是直接受益者。这是由国内半导体产业在国际产业链中所处的位置所决定的。这一情况在逐步改善，其中最重要的一点，就是我国在标准和专利方面取得突破。
国内的管理部门、专家团队、科研机构和企业已经具有了产业发展的规划能力和前瞻性。在国内相关发展规划的指导下，产业管理部门、科研机构和企业的共同努力，促使3G通信标准TD-SCDMA、数字音视频编解码标准AVS标准、数字电视地面传输国家标准DTMB等系列国内标准出台；手机电视标准虽然尚未明确，但CMMB等国内标准已经打下了良好的基础。这些国有标准虽然未必使国内公司独享这些领域的半导体设计和制造市场，但是标准的制定主要是依靠国内科研机构和企业。在标准制定的过程之中，这些科研机构和企业已经系统地实现了相关技术，研发出了验证产品，取得先入优势。标准制定的同时，国内科研机构已经开展专利池的建设。这样，国内半导体产业就具备了分享这些领域的国内市场的有利条件。我们有理由相信，国内数字电视、消费电子等产业进一步发展，已经对国内半导体产业等上游产业具有了昔日不可比拟的带动能力，本土半导体公司可以更加直接的“触摸”到国内半导体应用产业了。
产业链结构缓慢向上游迁移
自有标准体系的建立，使国内半导体产业的发展具备了一定的优势。身处有利的“生态环境”内，我国半导体产业发展前景良好。目前，我国半导体产业结构已经在逐渐发生变化。2002年，中国IC设计、制造和封装测试业所占的比重分别为8.1%、17.6%、和74.3%，2006年，这一数字变为18.5%、30.7%和50.8%。设计、制造、封装测试三业并举，我国半导体产业才能产生更好的协同作用，国际公认的合理比例是3:4:3。我国半导体产业比例的改变，说明我国集成电路产业在向中上游延伸，但距离理想的比例还有差距。设计和制造业需要更快的提高。
芯片设计水平和收入逐步提高
从集成电路产业链的角度来看，只有掌握了设计，使产业链结构趋于合理，才能掌握我国IC产业的主动权，才能进入IC产业的高附加值领域。近年来，我国集成电路的设计水平不断提高。20%的设计企业能够进行0.18微米、100万门的IC设计，最高设计水平已达90纳米、5000万门。
虽然我国半导体产业很多没有直接分享国内3G、消费电子等领域的高成长。但是，这些领域确实对我国IC设计业的发展提供了良好的发展契机。例如，鼎芯承担了中国3G“TD-SCDMA产业化”国家专项，并在2006年成为中国TD产业联盟第一家射频成员；展讯通信(上海)有限公司是一家致力于手机芯片研发的半导体企业，2006年的销售额达3.32亿元。内地排名第一的芯片设计企业是珠海炬力集成电路设计有限公司(晶门科技总部位于香港)，MP3芯片产品做的比较成功，去年的销售额达到了13.46亿美元。中星微电子和展讯通信公司先后获得国家科技最高奖—国家科技进步一等奖。
芯片生产线快速增长
我国新建IC芯片生产线增长很快。从2006年至今增加了10条线，平均每年增加6条。已经达到最高90纳米、主流技术0.18微米的技术水平。12英寸和8英寸芯片生产线产能在国内晶圆总产能中所占的比重则已经超过60%。跨国企业加快了把芯片制造环节向国内转移的速度，Intel也将在大连投资25亿兴建一座芯片生产厂。
建成投产后形成月产12英寸、90纳米集成电路芯片52000片的生产能力，主要产品为CPU芯片组。目前我国大尺寸线比例仍然偏小，生产线的总数占全世界的比例也还小于10%。“十一五”期间我国IC生产线有望保持快速增加。
半导体分立器件制造行业主要上市公司：目前国内半导体分立器件制造行业的上市公司主要有华润微(688396)、士兰微(600460)、扬杰科技(300373)、华微电子(600360)、新洁能(605111)、苏州固锝(002079)、银河微电(688689)、立昂微(605358)、捷捷微电(300623)、台基股份(300046)等。
本文核心数据：功率半导体分立器件产量、产值、市场结构
1、功率分立器件产量和产值持续上涨
功率半导体分立器件指额定电流不低于1A，或额定功率不低于1W的半导体分立器件。2015-2020年，中国功率半导体分立器件产量和产值均呈现持续上涨的趋势。2020年，中国功率半导体分立器件产量为4885亿只，较2019年同比增长8%。2020年，中国功率半导体分立器件产值达到165.6亿元，较2019年同比增长3%。
2、MOSFET产品优势凸显、需求量大
功率半导体分立器件可以进一步划分为功率二极管、功率晶体管和功率晶闸管三大类，其中BIT、GTR、MOSFET和IGBT均属于功率晶体管的范畴，SCR、GTO和IGCT则属于功率晶闸管的范围内。功率晶体管中，MOSFET和IGBT属于全控型分立器件，MOSFET根据应用特性的不同，还包括平面型功率MOSFET、沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET和屏蔽栅功率MOSFET等多种类型。
MOSFET在分立功率半导体器件当中排名首位，2019年占市场规模的36.3%，其次为二极管、其他三极管(包括IGBT)及晶闸管，市场份额分别为32.2%、26.0%及5.5%。
MOSFET的优势在于开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、所需驱动功率小且驱动电路简单、工作频率高以及不存在二次击穿问题等方面而功率二极管具有结构和原理简单、工作可靠的优势。基于产品自身的特点和优势，MOSFET和二极管在功率分立器件市场中占据近70%的市场规模。在MOSFET下游应用的快速发展基础下，按MOSFET销售额划分的市场规模已由2015年的37亿美元增至2019年的53亿美元，复合年增长率约9.2%。
注：市场结构数据根据2019年市场规模数据计算所得。
3、功率分立器件市场规模将继续增长
展望未来，依据全球需求的普遍上升，加上中国制造分立器件如MOSFET、二极管及三极管的庞大产能，中国功率半导体分立器件市场规模预期将会持续增长。预计到2026年，中国功率半导体分立器件产量将超过16000亿只，产值将超过500亿元。
以上数据参考前瞻产业研究院《中国半导体分立器件制造行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》
随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
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