被國家寫進「十四五」的第三代半導體到底是什麼?

2020-12-24 騰訊網

圖片來源:拍信圖庫

公元 2020 年 9 月 4 日,一則 「我國將把大力發展第三代半導體產業寫入『十四五』規劃」的消息引爆市場,引起第三代半導體概念股集體衝高漲停,場面十分壯觀。

暴漲逆襲之間,「第三代半導體」成了瘋狂刷屏的明星詞,人們驚呼下一個風口來了。

巧合的是,華為消費者業務 CEO 餘承東在 8 月 7 日接受採訪時也曾表示:現在我們從第二代半導體進入第三代半導體時代,希望在一個新的時代實現領先。在終端的多個器件上,華為都在投入。華為也帶動了一批中國企業公司的成長,包括射頻等等向高端製造業進行跨越。

第三代半導體到底是什麼?為什麼會突然被炒上天?在中國晶片產業被美國強勢打壓下,第三代半導體又在扮演什麼角色?

一、第三代半導體是什麼?

看到第三代半導體,你肯定會想第一代、第二代是什麼。這裡的 「代際」,是根據半導體製造材料來劃分的。

晶片製造的第一步是從沙子裡提煉出高純度的矽。

矽,就是製造半導體最早的材料之一,也是第一代半導體。

以下是三代半導體最主要的材料:

第一代半導體:矽、鍺;

第二代半導體:砷化鎵、磷化銦;

第三代半導體:氮化鎵、碳化矽。

半導體材料發展到第三代,肯定是因為氮化鎵、碳化矽相比前兩代有優勢,才會被重用。那麼它有什麼優勢呢?

IT之家搜索資料,發現答案是這樣的:

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、更高的抗輻射能力……

簡單來說可以歸為以下幾點:

耐高溫;

耐高壓;

耐大電流;

功率高;

工作頻率高;

功耗小,發熱低;

抗輻射能力強。

就拿功率和頻率來說,第一代半導體材料的代表矽,功率在 100Wz 左右,但是頻率只有大約 3GHz;第二代的代表砷化鎵,功率不足 100W,但頻率卻能達到 100GHz。因此前兩代半導體材料更多是互為補充的關係。

而第三代半導體的代表氮化鎵和碳化矽,功率可以在 1000W 以上,頻率也可以接近 100GHz,優勢非常明顯,因此未來有可能是取代前兩代半導體材料的存在。

第三代半導體的這些優勢,很大程度上都得益於一點:它們相比前兩臺半導體具有更大的禁帶寬度。甚至可以說,三代半導體之間的主要區分指標就是禁帶寬度。

因為具有上面這些優勢,第三點半導體材料可以滿足現代電子科技對高溫、高壓、高功率、高頻以及高輻射等惡劣環境的要求,因此可以在航空、航天、光伏、汽車製造、通訊、智能電網等前沿行業中有大規模應用。目前主要是製造功率半導體器件。

碳化矽的熱導率高於氮化鎵,且單晶生長成本比氮化鎵低,所以目前碳化矽主要被用在第三代半導體晶片的襯底,或者在高壓高可靠領域做外延,而氮化鎵主要在高頻領域做外延。

例如最近流行的氮化鎵充電器,就是利用了氮化鎵高頻的屬性,將充電器內部的元器件做小,才實現了高功率小體積。

氮化鎵由于禁帶寬度大、擊穿電場高、化學性質穩定和抗輻射能力強等優點,經常被用來製造高溫、高頻、大功率微波器件。

例如軍工電子中的軍事通訊、電子幹擾、雷達等領域,其他方面則如通訊基站中的射頻元件、功率器件等,能大大減小基站的質量、體積。

而碳化矽則是極限功率器件的理想材料。

例如它有一個重要應用是在新能源汽車中製造主驅逆變器、DC/DC 轉換器、充電系統中的車載充電機和充電樁等,在這些領域中未來將大面積取代矽,此外,碳化矽在光伏、風電、高速列車等領域也有廣泛應用。

總結起來,氮化鎵主要應用於低壓和高頻領域,碳化矽主要應用於中高壓領域。

二、中國第三代半導體產業現狀

和傳統的半導體一樣,第三代半導體的產業鏈也包括上遊的材料和設備,中遊的晶片設計、製造和封測,下遊的應用。不同在於,第三代半導體的區別主要在於材料。由於氮化鎵和碳化矽是第三代半導體的主要材料,因此這一部分我們以這兩種材料為線分開來講。

1、碳化矽

碳化矽的生產步驟包括單晶生長、外延層生長以及器件製造,分別對應襯底、外延和器件。總體來說,碳化矽產業目前主要處於國外企業壟斷的局面。

襯底方面,目前國際正在從 4 英寸向 6 英寸過渡,且已有 8 英寸導電型產品,而國內仍然以 4 英寸為主。

目前國際上碳化矽襯底核心企業包括美國 DowCorning、德國 SiCrystal、美國 II-VI、日本昭和電工等,他們佔據碳化矽襯底的主要產能。

國內則以天科合達、山東天嶽、同光晶體等公司為主,他們均能供應 3 英寸~ 6 英寸的單晶襯底。

外延方面,外延片企業主要以美國的 DowCorning、II-VI、Cree,日本的羅姆、三菱電機,德國的 Infineon 等為主。國內瀚天天成、東莞天域已能提供 4 寸 / 6 寸的碳化矽外延片。

器件方面,國際上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經實現產業化,主流產品耐壓水平在 1200V 以下,核心企業為 Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等。

國內則主要有泰科天潤、深圳基本半導體、中電科 55 所、上海瞻芯電子、三安光電等,覆蓋碳化矽器件的設計、代工各個環節。其中泰科天潤已經量產 SiC SBD,產品涵蓋 600V/5A~50A、1200V/5A~50A 和 1700V/10A 系列。

總體來說,全球碳化矽的產業格局還是以美國、歐洲、日本為主,特別是美國,全球 70%-80% 的碳化矽產量都來自美國。

中國在這個領域主要是後來者的姿態,不過國內碳化矽產業發展較快,並且產業鏈各個環節也比較完整,正在快速追趕國際領先的企業,如果持之以恆加大發展,未來能夠自給的機會還是比較大的。

2、氮化鎵

氮化鎵和碳化矽的情況類似,目前產業也仍然被國外企業把持,國內企業的發展相對薄弱,且主要集中在軍工方面。

和碳化矽一樣,氮化鎵也可以氛圍襯底、外延以及器件三個方面。

首先是襯底,目前國際上以 2~3 英寸為主,4 英寸較少,但也正在逐步商用。這個產業的市場主導是日本的住友電工,份額達到 90% 以上。國內像蘇州納維科技公司和有北大背景的東莞市中鎵半導體科技公司,均已實現產業化。

外延方面,氮化鎵的外延片主要有四種:矽基氮化鎵、碳化矽基氮化鎵、藍寶石氮化鎵和氮化鎵基板的氮化鎵。

這些外延片目前主要是日本的 NTT-AT、比利時的 EpiGaN 、英國的 IQE 、臺灣嘉晶電子等在供應。

國內相關企業則主要是蘇州晶湛、蘇州能華和世紀金光,其中蘇州晶湛 2014 年就已研發出 8 英寸矽基外延片,目前 150mm 的矽基氮化鎵外延片的月產能達 1 萬片。

氮化鎵的器件分為射頻器件和電力電子器件。在器件的設計方面,主要有美國的 EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德國的 Dialog 等公司,國內有被中資收購的安譜隆(Ampleon)等。

設計生產一體的企業則包括住友電工和 Cree ,他們的市場佔有率均超過 30%,其他還有 Qorvo 和 MACOM;

而中國方面則有蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華等,其中蘇州能訊去年已經建成 4 英寸氮化鎵晶片產線,設計產能為 17000 片 4 英寸氮化鎵晶圓。

負責代工的公司則以美國環宇通訊半導體(GCS)、穩懋半導體、日本富士通、Cree、臺灣嘉晶電子、臺積電、歐洲聯合微波半導體公司(UMS)等為主導,中國的三安集成和海威華芯也已取得了一定的市場成果。其中三安集成在 2018 年末的氮化鎵晶片產能可達到 100 片 / 月。

儘管總體來說我國在氮化鎵的上遊材料、製造方面仍然落後於國際先進水平,但是它的商業化進程才剛剛起步,氮化鎵的市場需求將持續高速增加,留給中國的機會和時間也還是有的。

總結

首先我們需要確認,第三代半導體材料在未來半導體行業的地位將至關重要,理由如下:

第三代半導體材料具有取代前兩代半導體材料的潛質,成為未來半導體材料的主流;

5G 拉開萬物互聯的序幕,第三代半導體的核心應用功率半導體將會有爆發式增長,前景光明;

摩爾定律見頂,除了先進封裝技術外,底層半導體材料的突破,也是突破摩爾定律的主要道路。

而對於中國來說,第三代半導體相比前兩代半導體產業,機遇更大,趕超的機會也更大,原因如下:

中國是全球最大的半導體消費市場,且自給率不足 20%,擁有很大的國產替代空間;

當前第三代半導體主要應用的功率半導體領域對先進位程的要求並不高,這對於國內產業鏈的完善是一個機會;

中國新基建和消費電子市場需求龐大,將為第三代半導體產業的增長打開空間;

雖然目前中國在第三代半導體產業中的技術比較薄弱,但國內廠商在第三代半導體有全產業鏈的布局,有一定的自主可控能力。

當然,比上面這些更重要的是國家意志的推動。在美國限制措施越來越緊的背景下,先進半導體材料已上升至國家戰略層面。國家在 2025 中國製造中提到,2025 要實現在 5G 通信、高效能源管理中的國產化率達到 50%;在新能源汽車、消費電子中實現規模應用。這些目標背後離不開第三代半導體的打底。

回到本文開頭所說的,一條消息引起 A 股第三代半導體板塊一飛沖天,資本市場也許少不了噱頭和泡沫,但IT之家相信,中國製造業不斷升級的大方向是不會變的。這條路上,第三代半導體產業無疑是一個時代紅利,我們必須把握住。

參考:

世紀證券,2020-05-29,《從新基建與消費電子看第三代半導體材料-電子行業深度報告》

中泰證券,2019-10-21,《寬禁帶半導體行業深度:SiC 與 GaN 的興起與未來》

中銀證券,2020-03-28 ,《半導體系列專題:國產功率半導體高端布局加碼,國產替代加速》

媽咪說MommyTalk,2019-10-25,《什麼是半導體?N型P型有什麼區別?太陽能電池原理》

媽咪說MommyTalk,2019-10-28,《什麼是PN結?為什麼只能單向導通?太陽能電池的發電原理》

電子說,2018-10-23,《第三代半導體材料有何優勢》

半導體行業觀察,2019-04-15,《誰會是SiC市場的最後贏家?》

海通證券,2019-10-06,《氮化鎵:第三代半導體核心材料》

光大證券,2020-09-08,《第三代半導體大勢所趨,國內廠商全產業鏈布局——第三代半導體系列報告之一》

文稿來源:IT之家

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