制程工艺已近物理极限,研发技术费用剧增,制造节点的更新难度慢慢的变大,“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”为产业高质量发展带来新机遇。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、
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,存在比较大的发展空间。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材料具备禁带宽度大、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长期处于快速建设的阶段。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,充电模块不仅仅可以提供能源电力,还可以对电路来控制、转换,保证供电电路的稳定性。随着我们国家新能源汽车市场的逐步扩大,充电桩市场发展前途也慢慢变得广阔。SiC功率器件能轻松实现比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充的要求下,几台车一起快充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模块则能轻松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、轻量化提出更加高的要求。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。
在5G、新能源汽车、绿色照明、快充等新兴领域蒸蒸日上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快速地增长,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%以上的平均上涨的速度。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,被大范围的使用在交流电机、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,成本比较高,分别只占据了8.7%和4.5%的功率半导体市场占有率。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1/2到1/3倍,才能被市场广泛接受,下游市场渗透率才能大幅度的提高。随着工艺水平的逐步成熟以及产线良率的不断的提高,第三代半导体器件后续仍有较大降价空间,未来GaN射频器件市场占有率将持续增大。 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高质量发展的重要引擎。 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,仍需要大规模资产金额的投入、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们国家第三代半导体材料产业的加快速度进行发展,成立了一批创新中心,以应用为牵引,以产业化需求为导向,加大科学技术创新,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,将有利于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比来说较低,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,国内企业为了确认和保证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、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。
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