【行业解码】“十四五规划”系列之第三代半导体:弯道超车的机会

冰与火之歌   / 09月15日 08:39 发布

最近,“我国将把发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划”引爆全网。什么是第三代半导体?发展第三代半导体的意义在哪儿?未来可能对全球半导体产业产生什么影响?


今天我们就来深入地谈一谈第三代半导体那些事儿。


01

避免卡脖子,发展第三代半导体势在必行!



近日据称,我国计划把大力支持发展第三代半导体产业,写入正在制定中的“十四五”规划,计划在2021-2025年期间,在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面,大力支持发展第三代半导体产业,以期实现产业独立自主。将赋予这项任务如同当年制造原子弹一样的高度优先权。


另据国家新材料产业发展专家咨询委员会委员、第三代半导体产业技术创新战略联盟透露,国家2030计划和“十四五”国家研发计划都已经明确,第三代半导体是重要发展方向,现在到了动议讨论实施方案的阶段。


两则讯息相互印证显示出我国已将第三代半导体产业发展提升到新的战略高度,作为新的国家意志。


那么,什么是第三代半导体?与第一代、第二代半导体相比,它有什么突出优势?为何要举全国之力发展第三代半导体?


迄今为止,全球半导体材料发展共经历三个阶段,分别为第一代半导体材料、第二代半导体材料、第三代半导体材料。



第一代半导体材料主要以硅、锗为主。


在20世纪60年代,锗一度占据主导地位。但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能差,到60年代后期逐渐被硅器件所取代。


自然界中硅含量极其丰富,提纯与结晶方便,且硅器件的稳定性与可靠性较好,所以,硅已成为当前应用最多的一种半导体材料,半导体95%以上、集成电路99%都是用硅半导体材料制造的。


第二代半导体材料主要是砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)等。


它们是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。


随着世界互联网的兴起,这些器件还被广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航系统等领域。


但因砷有毒,很多地方不允许使用,所以相比第一代半导体材料硅,应用领域要小得多。


第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带的半导体材料。其中,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)应用最为成熟。


与前两代相比,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。


其在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。但从应用领域看,目前仍不及第一代半导体材料硅的应用范围广。


这样就产生一个问题:既然第一、二代半导体发展已较为成熟,在我国尚存短板的情况下,为何又要砸巨资、像制造原子弹般优先发展第三代半导体?


一般来说,半导体产业链可分为设计、制造、封测三个阶段。我国在芯片设计上与国外差距并不大,优势在封测阶段,劣势在制造上。


而制造的劣势,首先体现在工艺水平上。全球技术最为领先的代工厂台积电的工艺水平已达到5nm,到2022年将升级到3nm工艺。而大陆最大的代工厂中芯国际最先进的制程是14nm,距台积电差了7nm、10nm两代。


如果说,中芯国际与台积电在芯片制程上的差距只有几年,然而二者在生产技术上却差了整整20年,主要差别在光刻环节。因全球最大的光刻机生产商ASML公司不对我们售卖高端光刻机,所以,这个差距短期很难缩小。


令人愤怒的是,由于ASML公司的光刻机使用了美国技术,在美国强力围堵打压下,台积电已拒绝在9月15日之后为华为代工芯片,中芯国际当前也面临威胁,将不能为华为代工。在群殴之下,当前国内半导体产业面临前所未有的困难。


由于传统的硅基芯片制程工艺已近物理极限,从5nm技术跨越到3nm技术将是一个非常艰难的实现过程,而且晶体管距离再小就会影响芯片性能。


而碳基芯片比硅基功耗更低、效率更高、成本更低,同时可摆脱对高端光刻机的依赖,在某些领域,碳基芯片可实现对硅基芯片的完全替代。


今年5月份,北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队在“碳基芯片”的研究上迈出重要一步,他们利用自己提出的方法,研制出碳基CMOS技术的晶体管和电路。据悉,这种新型的半导体,性能远超同制程工艺硅基芯片1000倍。


目前看,第三代半导体产业尚处于爆发前夜,我国与美国、日本等国几乎同时开始发展,现存的差距并不大。所以,发展第三代半导体被国家视作一次弯道超车的机会。这就不难理解了。




02

碳化硅赋能电动汽车,应用前景广



在第三代半导体材料中,GaN(氮化镓)和SiC(碳化硅)是最杰出的代表,都可应用于功率器件和射频器件领域。


具体来看,GaN是一种具有独特光电属性的半导体材料,在光学存储、激光打印、高亮度LED、以及无线基站等应用领域具有明显竞争优势。


由于GaN基LED具有发光效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点,所以,GaN基LED在当前器件制造领域最受关注。


我们看到,在最近第三代半导体材料题材炒作中,乾照光电、聚灿光电、华灿光电最受市场关注,它们共同之处是,都是GaN基高亮度蓝光LED芯片及外延片重要制造商。


GaN还有一项重要应用是可用于快充,包括电动汽车的直流充电桩以及手机充电器都会用到GaN。


去年9月,OPPO宣布在65W内置快速充电器中采GaN HEMT器件,由此GaN首次进入主流消费应用。


今年2月,小米公司在小米10发布会上也宣布使用65W的GaN快充。之后华为等手机企业也推出GaN快充。


此外,GaN与SiC都已成为下一代功率半导体器件的发展方向。


不同之处在于,在电力器件领域,GaN器件更适合于40-1200V的高频应用,主要是小型化电源应用产品;SiC适合高于1200V的高电压大功率应用。


当然,从某种程度上说,二者经常是出双入对出现。比如,在射频器件和射频IC领域,一般是在高阻的SiC基体上生长GaN外延。也就是说,GaN器件离不开SiC做衬底。


从下游应用来看,汽车电动化形成SiC最大的下游市场。



相比传统的硅基材料,SiC特别适于制造耐高温、耐高压,耐大电流的高频大功率的器件,其优异之处具体体现在:


① 承载功率大


通常来说,承载功率是功率器件最关键的指标之一。SiC的承载约是硅基承载功率的80倍。


② 器件体积小


硅的导热系数为1.5,SiC的导热系数为3.9。更高的热导率需要的散热系统相对要小,所以,SiC可以使器件体积做得更小。


③ 耐高温,能耗小


一般来说,硅的工作温度不能超过125摄氏度,否则PN结将失效。SiC的工作温度可以提升至350度,而自身需要的散热系统变小,耗电量也减少。所以电动汽车采用SiC器件可显著提升汽车的续航能力。


④ 关断能力强


由于SiC器件工作的开关频率可比硅基器件高100-1000倍,所以,SiC器件固有损耗更低,能够显著提高系统效率。相比硅基器件,SiC器件既高效又具成本效益。


基于上述优势,SiC功率器件可应用于电动汽车电机驱动系统中的主逆变器上,从而能显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,提高功率密度。


有数据显示,SiC功率器件应用于电动汽车上,可提升10%以上的续航里程,并减小80%的电控系统体积。


据了解,全球电动汽车巨头特斯拉公司的Model3车型采用以24个碳化硅MOSFET为功率模块的逆变器,是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率器件的汽车厂商。另有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。


当前,我国已成为全球最大的电动汽车生产国和消费国。在汽车电动化发展趋势下,未来电动汽车渗透率还将不断提升,而在续航里程需求持续提高的情况下,SiC器件在电动汽车上的用量和渗透率也会随之不断提升。


根据Yole数据,SiC功率器件市场规模将从2018年的4亿美金增加到2024年的50亿美金,复合增速约51%。SiC衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金,复合增速达44%


除此之外,SiC基GaN射频器件已逐步成为5G功率放大器、尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。


SiC还被广泛应用在光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等领域,未来行业发展前景极其广阔!




03

产业布局不断完善,上游晶片价值占比最高



与硅基材料相似,碳化硅产业链也可分为衬底外延片器件制造三大环节。


碳化硅衬底主要指的是碳化硅单晶片,它通常起支撑作用。外延生长环节是在碳化硅衬底上沉积一层薄膜,相对碳化硅长晶环节,自动化程度较高。


外延片与衬底的关系有点类似蛋糕和蛋糕坯,外延生长类似在蛋糕坯(衬底)上涂了一层奶油(薄膜)。


器件制造就是将碳化硅晶片作为半导体衬底材料,经过外延生长等环节,制成碳化硅基功率器件和微波射频器件等。


从三大环节价值占比看,由于碳化硅晶片技术壁垒高,长晶难度大,且品质不够稳定,所以碳化硅衬底价格相对较高,目前衬底可占到碳化硅器件成本的50%,产品毛利率也维持在50%的高位。


因此,碳化硅衬底环节的投资机会更值得我们关注。


当前全球碳化硅产业格局呈现美、欧、日三足鼎立格局,其中美国一家独大。


在碳化硅晶片方面,2018年美国占有全球碳化硅晶片产量的70%以上,仅CREE公司就占据全球62%的市场份额,剩余份额大多被日本和欧洲的碳化硅企业占据。



美国CREE公司不仅在量产能力上占据绝对领先地位,其制程水平也高出我国本地企业一个等级:


去年5月,CREE计划斥资10亿美元扩大碳化硅晶片产能,并宣布将建设8寸碳化硅生产线。而国内仍主要集中在4寸、6寸碳化硅晶片生产,8寸尚只有样品出货。


国内碳化硅晶片生产企业目前主要有天科合达、山东天岳、露笑科技、三安光电等几家。其中,天科合达是全球排名第四、我国排名第一的碳化硅晶片制造商,目前已经实现6英寸碳化硅晶片的批量供应,在全球的市场份额接近2%。


上交所已受理北京天科合达科创板IPO申请。根据招股说明书披露的信息,早在2006年,该公司就建立了国内第一条碳化硅晶片中试生产线,并在之后率先研制出6英寸碳化硅晶片。目前,天科合达已实现2英寸至6英寸碳化硅晶片产品的规模化供应


公司拥有34项已获授权的专利,其中发明专利为33项(含6项国际发明专利),建立了拥有自主知识产权的六大核心技术体系,从而打破了国外对半绝缘型碳化硅晶片的严格禁运。


山东天岳也是国内重要碳化硅晶片生产商之一,产品规格在2英寸至6英寸,可广泛应用于大功率高频电子器件、半导体发光二极管(LED),以及诸如5G通讯、物流网等微波通讯领域。


此外,公司自主开发的6英寸N型碳化硅衬底,厚度为350±25微米,每平方厘米微管密度小于1个,目前正处在工艺固化阶段。


今年2月27日,山东天岳计划投资6.5亿元建设碳化硅功率芯片生产线和碳化硅电动汽车驱动模块生产线各一条。


从公司股东信息看,去年8月,华为旗下的哈勃科技投资了山东天岳,持股10%。另外,A股上市公司柘中股份投资的辽宁中德产业股权投资基金也投资了山东天岳部分股权。


露笑科技:公司凭借在蓝宝石业务上的深厚积淀,已突破碳化硅长晶炉及长晶环节关键技术,致力于打造碳化硅全产业链布局。


去年8月5日,公司披露,和中科钢研、国宏中宇签订约3亿元的碳化硅长晶炉销售合同,未来随着中国步入碳化硅的扩产周期,公司的碳化硅长晶炉业务有望步入快速发展期。


今年8月,公司又披露将与合肥市长丰县人民政府在合肥市长丰县共同投资建设第三代功率半导体(碳化硅)产业园,包括但不限于碳化硅等第三代半导体的研发及产业化项目,包括碳化硅晶体生长、衬底制作、外延生长等的研发生产,项目投资总规模预计100亿元。


三安光电:今年2月,公司拟定增建包括高端氮化镓LED衬底、外延、芯片;高端砷化镓LED外延、芯片;大功率氮化镓激光器;特种封装产品应用四个产品方向的研发、生产基地。


今年7月,投资160亿元、占地面积1000亩的“三安光电第三代半导体产业园”,在长沙正式开工建设。该产业园主要用于建设具自主知识产权的碳化硅衬底、外延、芯片及封装产业生产基地,也将建设我国首条碳化硅全产业链产线


除此之外,据不完全统计,今年以来,有十余个碳化硅项目在全国各地开工或取得积极进展。


华大半导体投资了10.5亿元宽禁带项目,计划年产8万片4-6吋碳化硅衬底及外延片、碳化硅基氮化镓外延片;徐州总投资3亿元的碳化硅功率半导体项目投产后年产碳化硅模块约70万只,产值约7亿元人民币;中科钢研旗下的青岛在建集成电路产业园,或于9月竣工投产,有望打破碳化硅晶体衬底片依赖进口。


可以看出,当前我国第三代半导体正如火如荼地发展,在“十四五”第三代半导体相关政策春风的沐浴下,我国凭借贴近超大规模市场的应用优势,有望在第三代半导体领域实现对西方的弯道超车!未来可期待。原创:中富聚焦

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