第三代半導(dǎo)體正在成為市場(chǎng)焦點(diǎn)。
6月中旬，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)盟”）在最新發(fā)布的《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》（以下簡(jiǎn)稱“報(bào)告”）中表示，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體在新能源汽車、5G、光伏發(fā)電、快充等領(lǐng)域不斷取得突破，2020年全球第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)總體保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
據(jù)其統(tǒng)計(jì)，由于5G基站、新能源、快充市場(chǎng)發(fā)展等原因拉動(dòng)，去年我國(guó)第三代半導(dǎo)體碳化硅、氮化鎵電力電子和氮化鎵微波射頻市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)到113億元，較2019年增長(zhǎng)85%。“然而，不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)規(guī)模并未對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)形成有效拉動(dòng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)規(guī)模仍然較小，在新能源汽車、5G基站等關(guān)鍵市場(chǎng)超過(guò)八成的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額主要被國(guó)際大廠占有。”聯(lián)盟在報(bào)告中指出。
有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上市公司相關(guān)人士亦向記者表示，“第三代半導(dǎo)體大家都在研發(fā)當(dāng)中，但是真正能夠大規(guī)模量產(chǎn)的并不多，目前大部分的量都是進(jìn)口國(guó)外的產(chǎn)品。”
半導(dǎo)體演進(jìn)
第一代半導(dǎo)體是以硅材料為主，廣泛應(yīng)用在手機(jī)、電腦等領(lǐng)域，比如電腦的和手機(jī)的處理器都采用這種硅基的半導(dǎo)體技術(shù)。第二代半導(dǎo)體以砷化鎵、銻化銦為代表，主要是功率放大，用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、導(dǎo)航等領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體是以氮化鎵、碳化硅為代表的化合物半導(dǎo)體，主要應(yīng)用于光電子、電力電子和微波射頻，比如手機(jī)快充、新能源車、軌道交通、5G基站、航空航天等等。
國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)華潤(rùn)微（688396.SH）相關(guān)人士在接受記者采訪時(shí)表示，目前該公司也在布局第三代半導(dǎo)體，已經(jīng)推出了碳化硅二極管樣品。目前公司采用IDM的模式，也就是說(shuō)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上覆蓋了設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)。
上述人士進(jìn)一步介紹稱，相比前兩代，第三代半導(dǎo)體的特點(diǎn)主要是寬禁帶、性價(jià)比高。寬禁帶意味著產(chǎn)品具有高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度、可承受大功率等特點(diǎn)。因此第三半導(dǎo)體使用的范圍和場(chǎng)景都更好一些。
另一家半導(dǎo)體企業(yè)三安光電（600703.SH）的相關(guān)人士則對(duì)記者表示，第三代半導(dǎo)體可以用于手機(jī)、車、基站等。目前三安光電在化合物半導(dǎo)體方面是國(guó)內(nèi)最大的生產(chǎn)企業(yè)，涉及半導(dǎo)體襯底和外延的生產(chǎn)，主要做6英寸的產(chǎn)品生產(chǎn)。“有很多還處于研發(fā)狀態(tài)，有些產(chǎn)品已經(jīng)上市，比如三星的電視就用到了三安光電的部件。”
根據(jù)三安光電在2020年度報(bào)告中的介紹，電力電子器件又稱為功率器件，主要應(yīng)用于變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理等領(lǐng)域，幾乎用于所有的電子制造業(yè)，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制等。
目前，第三代半導(dǎo)體功率器件發(fā)展方向主要有碳化硅和氮化鎵兩大方向，碳化硅和氮化鎵等第三代半導(dǎo)體因禁帶寬度和擊穿電壓高，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。碳化硅擁有更高的熱導(dǎo)率和更成熟的技術(shù)，氮化鎵高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點(diǎn)，兩者的不同優(yōu)勢(shì)決定了應(yīng)用范圍上的差異。
路線與模式
氮化鎵集中在600V以下領(lǐng)域，主要應(yīng)用于快充、電源開關(guān)、激光雷達(dá)、服務(wù)器電源等市場(chǎng)；碳化硅用于1200V以上領(lǐng)域，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車、PFC電源、儲(chǔ)能、充電樁、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。
聯(lián)盟在《報(bào)告》中則進(jìn)一步分析稱，預(yù)計(jì)三到五年內(nèi)，碳化硅功率器件將成為新能源汽車中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)主流的技術(shù)方案，這將給全球碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大發(fā)展機(jī)遇。豐田、大眾、本田、寶馬、奧迪等汽車企業(yè)都將碳化硅功率器件作為未來(lái)新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選解決方案。
國(guó)外多家企業(yè)同時(shí)也開始推動(dòng)氮化鎵在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，多家企業(yè)都推出了車規(guī)級(jí)商業(yè)化產(chǎn)品。與硅技術(shù)相比，氮化鎵芯片具有以下優(yōu)勢(shì)：開關(guān)速度最大提高4倍、降低電壓電流交叉損耗、功率密度最高增加40%。但國(guó)內(nèi)氮化鎵功率半導(dǎo)體研發(fā)及應(yīng)用起步相對(duì)較晚，尚未在新能源汽車領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。
根據(jù)聯(lián)盟的預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)碳化硅汽車市場(chǎng)將以30.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)模15.8億元，到2025年將超過(guò)45億元。折算成晶圓，國(guó)內(nèi)2020年新能源汽車市場(chǎng)6英寸碳化硅晶圓需求量超過(guò)4萬(wàn)片，預(yù)計(jì)到2025年需求量將增長(zhǎng)到近30萬(wàn)片。國(guó)際2020年新能源汽車市場(chǎng)6英寸碳化硅晶圓需求量超過(guò)5萬(wàn)片，到2025年需求量超過(guò)60萬(wàn)片。
另外，氮化鎵電力電子器件在快充市場(chǎng)也發(fā)展迅速。充電頭網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，去年有10家手機(jī)廠商推出了18款氮化鎵快充，華為、小米、OPPO、聯(lián)想、魅族、努比亞等主流廠商均位列其中，而小米、聯(lián)想、OPPO、Realme、三星等品牌已經(jīng)將氮化鎵快充作為手機(jī)的標(biāo)配。氮化鎵電力電子器件具有高開關(guān)頻率、高能量密度和高能量轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)，能夠使氮化鎵PD快充實(shí)現(xiàn)更高功率、更小體積和更高轉(zhuǎn)換效率。隨著氮化鎵技術(shù)的革新升級(jí)，性能及成本優(yōu)勢(shì)加持下，氮化鎵未來(lái)有望成為主流快充技術(shù)。
而且，快充技術(shù)從手機(jī)出發(fā)，已經(jīng)逐步覆蓋到了平板電腦、筆記本電腦、顯示器、新能源汽車、電動(dòng)工具、IoT設(shè)備等七大市場(chǎng)。除了手機(jī)廠商之外，筆電廠商也已陸續(xù)進(jìn)入氮化鎵快充市場(chǎng)，聯(lián)想、戴爾、LG等品牌均基于氮化鎵功率器件推出了高效的大功率快充配件，而新產(chǎn)品相較于傳統(tǒng)的筆記本適配器體積大大縮小，一臺(tái)65W以上容量的快充，可滿足筆記本、手機(jī)和平板電腦的充電需求。聯(lián)盟認(rèn)為，氮化鎵快充將在未來(lái)幾年迎來(lái)發(fā)展的巔峰，市場(chǎng)容量十分可觀。
CASAResearch的數(shù)據(jù)顯示，去年國(guó)內(nèi)PD快充氮化鎵電力電子器件市場(chǎng)規(guī)模約1.5億元，預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)40億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率97%；去年全球PD快充氮化鎵電力電子器件市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)3億元，預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到80多億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率90%。折算到上游晶圓需求來(lái)看，國(guó)內(nèi)去年P(guān)D快充市場(chǎng)6英寸氮化鎵晶圓需求量為1.7萬(wàn)片，到2025年需求量約為67.4萬(wàn)片;國(guó)際去年P(guān)D快充市場(chǎng)6英寸氮化鎵晶圓需求量為3.7萬(wàn)片，到2025年需求量將超過(guò)120萬(wàn)片。
在微波射頻方面，據(jù)CASARe－search統(tǒng)計(jì)，去年國(guó)內(nèi)氮化鎵微波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模為66.1億元，較上年同比增57.2%。考慮到5G基站建設(shè)是影響氮化鎵微波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模變化的主要因素，預(yù)計(jì)2022年我國(guó)5G基站建設(shè)將達(dá)到高峰，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)氮化鎵微波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)張。而且，即使在2023年以后我國(guó)5G基站建設(shè)規(guī)模將有所回落，但毫米波基站將有望始大規(guī)模部署，成為拉動(dòng)市場(chǎng)的主要力量，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)氮化鎵微波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模成倍數(shù)增長(zhǎng)。
根據(jù)聯(lián)盟的分析，去年我國(guó)5G宏基站氮化鎵射頻功率放大器市場(chǎng)規(guī)模73億元，到2022年市場(chǎng)規(guī)模接近100億元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到17.5%。2023年毫米波基站將開始部署，預(yù)計(jì)射頻功率放大器市場(chǎng)規(guī)模將有5-10倍的增長(zhǎng)需求。整體來(lái)看，5G宏基站、微基站及毫米波基站帶來(lái)的氮化鎵射頻功率放大器市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)1000億元。折算成晶圓來(lái)看，若毫米波基站開始部署，其4英寸氮化鎵晶圓總需求量約為200-400萬(wàn)片。
然而，目前全球射頻器件市場(chǎng)由住友電工、Cree|Wolfspeed和Qorvo三家企業(yè)占據(jù)，其中住友電工為華為主要供應(yīng)商。國(guó)內(nèi)在毫米波領(lǐng)域處于空白，沒(méi)有相關(guān)器件供應(yīng)商。
差距仍大
盡管目前國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體在規(guī)模和技術(shù)方面發(fā)展迅速，但和國(guó)際上的主要公司相比仍然有不小差距。
上述華潤(rùn)微人士向記者表示：“這個(gè)第三代半導(dǎo)體大家都在研發(fā)當(dāng)中，但是真正能夠大規(guī)模量產(chǎn)的并不多，目前大部分的量都是進(jìn)口國(guó)外的產(chǎn)品。”
三安光電的內(nèi)部人士也告訴記者，目前公司大部分的產(chǎn)品還是傳統(tǒng)的LED芯片產(chǎn)品，現(xiàn)在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品總體占比不大，不過(guò)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也在慢慢變化，占比在逐漸增加。
來(lái)自聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，去年我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)電力電子和射頻電子總產(chǎn)值超過(guò)100億元，較2019年增長(zhǎng)69.5%。其中，碳化硅、氮化鎵電力電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá)44.7億元，同比增長(zhǎng)54%，襯底材料約2.2億元，外延及芯片約5億元，器件及模組約7.2億元，裝置約30億元，相較前幾年，中下游的增長(zhǎng)速度加快。而氮化鎵微波射頻產(chǎn)值達(dá)到60.8億元，同比增長(zhǎng)80.3%。其中，襯底約6.5億元，外延及芯片9.2億元，器件及模組19.6億元，裝置約25.5億元。
而根據(jù)CASAResearch的不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，國(guó)內(nèi)有超過(guò)170家從事第三代半導(dǎo)體電力電子和微波射頻的企業(yè)（2018年這個(gè)數(shù)字尚不足100家），覆蓋了從上游材料的制備(襯底、外延)、中游器件設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)到下游的應(yīng)用，基本形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。
在此同時(shí)，傳統(tǒng)半導(dǎo)體企業(yè)依托資金、技術(shù)、渠道以及商業(yè)模式的優(yōu)勢(shì)，正在積極布局第三代半導(dǎo)體。比如去年有17家半導(dǎo)體企業(yè)陸續(xù)登陸科創(chuàng)板，其中有5家企業(yè)計(jì)劃布局第三代半導(dǎo)體。
當(dāng)然，目前國(guó)產(chǎn)替代的過(guò)程也在加速，以華為為代表的應(yīng)用企業(yè)調(diào)整供應(yīng)鏈，使得國(guó)內(nèi)企業(yè)獲得了試用、改進(jìn)的機(jī)會(huì)，國(guó)產(chǎn)器件逐漸導(dǎo)入終端產(chǎn)品供應(yīng)鏈。國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)抓住發(fā)展機(jī)遇，主動(dòng)與下游應(yīng)用企業(yè)開展合作，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)器件的快速應(yīng)用。
根據(jù)聯(lián)盟提供的信息，國(guó)內(nèi)碳化硅商業(yè)化襯底以4英寸為主，逐步向6英寸過(guò)渡，微管密度、襯底可用面積、位錯(cuò)等技術(shù)參數(shù)都有所進(jìn)步。在研發(fā)方面，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量6英寸碳化硅襯底材料的制備，但“國(guó)內(nèi)碳化硅襯底單晶質(zhì)量與國(guó)外差距明顯，存在單晶性能一致性差、成品率低、成本高等問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)高性能襯底自給率仍然較低，占全球的市場(chǎng)份額不到5%。”
此外，聯(lián)盟認(rèn)為，目前產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)產(chǎn)能雖然在不斷增長(zhǎng)，但供給仍然不足。去年新能源汽車、PD快充、5G等下游應(yīng)用市場(chǎng)增長(zhǎng)超預(yù)期，但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品商業(yè)化供給無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，尤其是碳化硅電力電子和氮化鎵射頻存在較大缺口。這也導(dǎo)致我國(guó)第三代半導(dǎo)體各環(huán)節(jié)國(guó)產(chǎn)化率較低，超過(guò)八成的產(chǎn)品依賴進(jìn)口。“整體來(lái)看，我國(guó)第三代半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的自主保障能力得到增強(qiáng)，但國(guó)內(nèi)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較國(guó)際巨頭仍有差距。與國(guó)際企業(yè)相比，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍然較小，企業(yè)優(yōu)勢(shì)不明顯。目前各細(xì)分應(yīng)用市場(chǎng)的核心器件均由 Cree|Wolfspeed、ROHM、Infi－neon等國(guó)外企業(yè)占據(jù)，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品市占率不足10%。”“（尤其）值得注意的是，大尺寸產(chǎn)線對(duì)材料技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的要求更高，與國(guó)際相比，國(guó)內(nèi)大尺寸晶圓制造技術(shù)尚未完全成熟，成本高昂、良率較低。企業(yè)要根據(jù)自身情況，綜合考慮技術(shù)、成本、生產(chǎn)效率等多方面因素，選取最優(yōu)的工藝路線。”聯(lián)盟表示。
