2021年,隨著各國于5G通訊、消費性電子、工業能源轉換及新能源車等需求拉升,驅使如基站、能源轉換器(Converter)及充電樁等應用需求大增,使得第三代半導體 GaN 及 SiC 元件及模組需求強勁。根據CASA數據,2020年,我國第三代半導體整體產值超過7100億。從年初開始,多重利好消息也在刺激著人們對于第三代半導體業的關注。8月14日,工信部正式宣布將碳化硅(SiC)復合材料、碳基復合材料等納入“十四五”產業科技創新相關發展規劃,以全面突破關鍵核心技術,攻克“卡脖子”品種。行業投資水漲船高、新玩家入場、需求不斷涌現,第三代半導體市場也揚起了浪。

碳化硅、氮化鎵已趨于成熟

第三代半導體是5G時代高頻化、輕薄化應用的優選。5G、新能源汽車等新興領域要求硬件擁有更好的性能,半導體產品的效率要求也會隨之提高,半導體材料的代際劃分顯現。第三代半導體指的是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化物半導體(如氧化鋅ZnO)、III族氮化物(如氮化鋁AlN)、金剛石半導體等寬禁帶半導體材料。相較于第一代半導體材料(硅、鍺)與第二代半導體材料(砷化鎵、磷化銦),第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、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、光伏發電、航空航天等戰略新興產業的應用需求呈現激增。

碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)已是第三代半導體中發展最成熟的兩個品種。碳化硅(SiC)具有工作溫度更高、開關和導通損耗更低的特性,適合太陽能逆變器、工業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,比較典型的應用場景是下一代無線通訊系統。SiC的性能使其在高于1200V的高電壓、大功率應用上頗具優勢,而GaN功率器件更適合40-1200V的高頻應用,尤其是在600V/3KW以下的應用場合。

碳化硅(SiC)

碳化硅(SiC)主要可應用于電力電子器件和微波射頻領域,細分領域包括車、光伏、消費電子等。而由導電型碳化硅襯底制成的功率半導體器件包括:結勢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);金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管(BJT)、結型場效應晶體管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和門極可關斷晶閘管(GTO)等,能夠應用于電子電氣領域中新能源汽車、光伏發電等方面。而由半絕緣型襯底制成的射頻半導體器件包括射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器等,可廣泛應用于5G通訊、衛星、雷達等領域。

氮化鎵(GaN)

目前氮化鎵單晶生長尺寸在2英寸和4英寸,一般不作為襯底材料,而是采用異質外延技術生長GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及藍寶石基氮化鎵外延器件等。在器件及應用方面,首先,GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作為微波射頻器件,應用于5G 通信、雷達預警、衛星通訊等方面。

此外,GaN寬帶隙功率晶體管可以在高壓和高開關頻率條件下提供高功率效率,使其能夠應用于智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等電力電子方向,其性能遠遠超過硅MOSFET產品。根據Yole數據,GaN射頻全球市場在2018年為6.45億美元,預計2024年達到約 20億美元;在GaN電源市場方面,受消費者快速充電器應用推動,到2024 年全球市場規模將超過3.5億美元。基于硅襯底GaN還可制造藍光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,可應用在包括滅火抑爆系統、紫外制導、紫外通信等在內的軍事領域,以及火焰探測、電暈放電檢測、醫學監測診斷等在內的民用領域。

除SiC、GaN外,第三代半導體還包括眾多其他材料,包括III族氮化物(AlN、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等)、氧化物半導體(包括ZnO, CaTiO3, IGZO, β-Ga2O3 ,TiO2)以及金剛石半導體等。碳化硅基氮化鎵技術開始的,它在20多年前即已推出,現已成為RF功率應用方面LDMOS和GaAs的有力競爭者。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領域的深度滲透,它還是華為、諾基亞、三星等電信原始設備制造商(OEM)5G大規模MIMO基礎設施的首選。

增速方面,第三代半導體在功率器件的增速和體量都要大于微波射頻。微波領域在2020年已經達到頂峰,因為5G建設的放緩,今年可能會有所下滑。故此推測,第三代半導體真正的應用領域還是在功率器件或者電力電子器件,市場滲透主要包括新能源汽車和光伏逆變器。

國內生態逐漸建立

第三代半導體仍是個新興技術,全球市場處于初期階段。第三代半導體產業鏈主要包含襯底、外延材料、器件設計、制造、模塊和應用這幾個環節。外延與器件設計方面,由于技術相對簡單,門檻不高,目前國內外差距較小;而器件制造則是另一個差距較大的方面,國外由于發展較早,在制造的過程中累積了大量的產業,其產品擁有較高的良率和可靠性。

國內第三代半導體器件已經迅速進入了新能源汽車、光伏逆變、5G 基站、PD 快充等應用領域,碳化硅主要應用在新能源汽車和工控等領域,氮化鎵器件主要應用在5G基站等領域。2020 年我國第三代半導體產業電力電子和射頻電子總產值超過 100 億元,同比增長 69.5%。其中,SiC、GaN 電力電子產值規模達 44.7 億元,同比增長 54%;GaN 微波射頻產值達到 60.8億元,同比增長 80.3%。

近年來,國內在第三代半導體及其襯底方面為了趕上國外的步伐投入很大,但僅分散在功率器件應用領域;IDM和代工服務方面,與國際上量產6英寸,正在建設8英寸量產工廠的水平還存在差距。另外,門檻更高的碳化硅將長期以IDM為主,在美日兩家獨大的產業格局下,中國廠商的機會也受到了一定的擠壓。

在我國政策力度的帶動下,國內第三代半導體材料的主流企業積極布局,市場容量擴大且產業鏈合作水平不斷提高。中電科55所已是國內少數從4-6寸碳化硅外延生長、芯片設計與制造、模塊封裝領域實現全產業鏈的企業單位。而泰科天潤已經量產SiC SBD,產品涵蓋600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A系列。深圳基本半導體則擁有3D SiC技術,推出了1200V SiC MOSFET產品。瀚薪獨創集成型碳化硅JMOSFET結構技術,推出全球唯一量產的SiC JMOS產品,實現了碳化硅的DMOSFET和JBS(肖特基二極管)的芯片內集成。另外值得關注的是,近年來,SiC晶片作為襯底材料的應用正在逐步走向成熟,成本呈現明顯下降趨勢,具備了大規模產業化應用的基礎。

(關鍵字：半導體)