半导体

赛迪智库丨新基建促进第三代半导体材料市场驶入快车道

作者:赛迪顾问股份有限公司新材料产业研究中心来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2020-08-21 07:32我要评论

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。

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第三代半导体在新基建中广泛应用

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年器件市场规模将达到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2~3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。

国内半导体企业应向IDM模式转型

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、推动产业上下游产业协同发展。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。支持体制机制创新的、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。


文章来源:赛迪顾问股份有限公司第三代半导体新材料产业研究中心


责任编辑:赵强
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