站在“新基建”浪潮上的第三代半導體產業 (上)

2020/05/08

本文轉載自微信公眾號“祥峰投資”(ID:VertexVentures),作者:任剛、王飛。


4月20日,國家發改委首次官宣“新基建”的范圍,正式定調了5G基建、人工智能、工業互聯網等七大領域的發展方向。在建設需求的驅動下,一大批科技創新企業也將迎來發展的窗口期。

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“新基建”作為新興產業,一端連接著不斷升級的消費市場,另一端連接著飛速發展的科技創新。值得注意的是,無論是5G、新能源汽車還是工業互聯網等,“新基建”各個產業的建設都與半導體技術的發展息息相關。例如:

  • 以氮化鎵(GaN) 為核心的射頻半導體,支撐著5G基站及工業互聯網系統的建設;

  • 以碳化硅(SiC) 以及IGBT為核心的功率半導體,支撐著新能源汽車、充電樁、基站/數據中心電源、特高壓以及軌道交通系統的建設;

  • 以AI芯片為核心的SOC芯片,支撐著數據中心、人工智能系統的建設。

不難看出,氮化鎵 (GaN) 和碳化硅(SiC) 為首的第三代半導體是支持“新基建”的核心材料。在“新基建”與國產替代的加持下,國內半導體廠商將迎來巨大的發展機遇。

作為中國半導體行業的觀察者,祥峰投資本次帶來一份《第三代半導體產業研究報告》,將探討以下問題,分為上、下兩期具體展開:

一、第三代半導體相較第一代、第二代有哪些進步?

為何氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 在第三代半導體中備受追捧?

氮化鎵(GaN) 和碳化硅 (SiC) 的應用場景有哪些?市場規模有多大?驅動二者增長的因素有哪些?

二、第三代半導體芯片在產業鏈各個環節 (襯底、外延、設計、制造、封裝) 的關鍵技術有哪些?

國內外主要的第三代半導體廠商有哪些?

本文為報告的上篇。

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第三代半導體產業研究

- 上篇 -

作者 | 任剛、王飛


第三代半導體在擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及抗輻射能力上全面提升

半導體的應用可追溯到上世紀五六十年代,至今經歷了三個時期的的發展迭代(見下圖)。4451d8d630cb0c98c80b86f6ab56ced.png











與第一代和第二代半導體材料相比,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、大功率及抗輻射器件,可廣泛應用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領域,包括射頻通信、雷達、衛星、電源管理、汽車電子、工業電力電子等。

三代半導體材料主要性能參數比較——

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2、氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 是當下規?;逃米钪饕倪x擇

在第三代半導體材料中,目前發展較為成熟的是碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN),這兩種材料是當下規?;逃米钪饕倪x擇。

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從下表常用的“優值(Figure of Merit, FOM)”可以清晰地看出,SiC和GaN相較于前兩代半導體材料在功能與特性上有了巨大的提升。

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*以上優值以Si材料為單位1,進行了歸一化

GaN和SiC在材料性能上各有優劣,因此在應用領域上各有側重和互補。

GaN的高頻Baliga優值顯著高于SiC,因此GaN的優勢在高頻小電力領域,集中在1000V以下,例如通信基站、毫米波等

SiC的Keye優值顯著高于GaN ,因此SiC的優勢在高溫和1200V以上的大電力領域,包括電力、高鐵、電動車、工業電機等

在中低頻、中低功率領域,GaN和SiC都可以應用,與傳統Si基器件競爭

GaN與SiC的應用領域——

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3、氮化鎵(GaN) 的應用場景、市場規模及增長驅動的因素

GaN器件主要包括射頻器件、電力電子功率器件、以及光電器件三類。GaN的商業化應用始于LED照明和激光器,其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性,相關產業已經發展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發揮GaN寬禁帶半導體特性的主要應用領域。

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GaN射頻器件

射頻器件的主要技術包括硅基的RF CMOS、Si-LDMOS方案,基于GaAs的方案,以及GaN方案。


  • 硅基的RF CMOS適用于低頻、低功率領域。在藍牙、Zigbee應用占主導地位,一些WiFi和低端手機也使用該方案

  • GaAs方案適合小功率應用,通常低于50W,是目前4G/LTE基站射頻芯片的主要技術之一。大部分手機的功放芯片也使用GaAs方案。短期內5G的手機終端也仍然是GaAs方案

  • Si-LDMOS(橫向擴散MOS)是目前4G/LTE基站射頻芯片的主要技術之一。LDMOS器件的缺點是工作頻率存在極限,最高有效頻率在3.5 GHz以下

  • GaN方案則彌補了GaAs和Si-LDMOS這兩種傳統技術的缺陷,將在高功率,高頻率射頻市場優勢明顯,特別是在高頻(大于8 GHz)、中大功率(10W~100W)范圍

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數據來源:Yole


GaN射頻器件的應用優勢:


  • GaN在功率密度上的優勢使得芯片體積大為縮小

  • 5G基站會用到多發多收天線陣列方案,GaN射頻器件對于整個天線系統的功耗和尺寸都有巨大的改進

  • 在高功率,高頻率射頻應用中,獲得更高的帶寬、更快的傳輸速率,以及更低的系統功耗


此外,GaN射頻功率晶體管,可作為新的固態能量微波源,替代傳統的2.45GHz磁控管,應用于從微波爐到高功率焊接機等消費電子和工業領域。

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數據來源:Qorvo

GaN射頻器件的市場規模:

「GaN射頻器件全球市場預計到2024年成長至20億美元,雖然在整個百億美元的射頻芯片市場中的占比仍然較小,但是增速可期?!?/p>

根據Yole的預測,GaN射頻器件市場預計到2024年成長至20億美元,6年CAGR達到21%。主要的市場增長來自無線通信基礎設施和軍工。5G的普及將推動GaN在無線通信的市場達到7.5億美元

需要指出的是,整個半導體射頻器件的市場空間規模在百億美元。其中GaAs器件仍然占據的絕大部分市場份額。2014 年,全球射頻功放芯片(PA)市場規模為73.9 億美元,由于GaAs PA相對Si 基CMOS PA 性能優勢明顯,砷化鎵PA產值市場占比高達94%。受益于移動終端升級、物聯網產業的持續發展,PA 市場總量預計2020 年將增至114.16 億美元,2014 至2020年復合增長率為7.51%

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數據來源:Yole, IBS


GaN射頻器件的驅動因素:

需求側,5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅動因素。

供給側,GaN on SiC、GaN on Si的技術不斷成熟,讓GaN功率器件有了更高的性價比,打開應用空間。

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GaN功率器件

GaN功率器件,與前述GaN射頻功率芯片有所區分。主要指在高電壓和較大電流下工作,與高頻和射頻關系不大。這類最常見的應用是電源相關的芯片。

功率器件主要是金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)。不同于其他依靠電流驅動的晶體管,MOSFET是電壓驅動型器件,只需在門極施加一個合適的電壓,MOSFET就會導通。這一特性讓MOSFET在AC/DC開關電源、變速電機、熒光燈、DC/DC轉換器等設備中有著無法替代的作用。

GaN功率器件的主要應用:


  • 消費電子:GaN由于高功率密度和良好的溫度特性,用在電源上可兼顧小體積與大功率輸出,此外還具有更好的開關特性

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  • 數據中心電力系統:數據中心包含許多大功率的服務器,通常需要大電流和低電壓,再加上冷卻系統,用電成本高昂。將高電壓轉換為較低的直流電,用于通常需要多個DC-DC變換,每一個功率變換階段,效率都會下降。如果可以使用高壓器件進行轉換,則可以減少電壓轉換的次數,從而提高整個系統的轉換效率

  • 光伏逆變器:使用GaN功率器件,工作在超過100 kHz的開關頻率下,可以大大提高系統的逆變效率

  • 其他領域還包括DC-DC轉換器、POL轉換器,以及電機驅動和D類大功率音頻放大器等


GaN功率器件的市場規模:

2017 年全球功率半導體市場規模為 327 億美元,預計到 2022 年達到 426 億美元。工業、汽車、無線通訊和消費電子是前四大終端市場。

GaN器件在整個功率半導體市場占比還非常小。2016年GaN功率器件市場規模約為1200萬美元,預計到2022年將增長到4.6億美元,CAGR達到79%。主要增長來自電源管理、新能源車、LiDAR、無線功率和封包追蹤等應用。

隨著GaN on Si技術的成熟帶來成本降低,GaN功率器件的潛在市場空間將持續放大。GaN 有望在中低功率替代Si MOSFET、IGBT 等硅基功率器件。根據Yole估計,在0~900V 的低壓市場,GaN 都有較大的應用潛力,這一塊占據整個功率市場約68%的比重,按照整體市場400億美元來看,GaN 功率器件的潛在市場超過270 億美元。

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數據來源:Yole, IBS

4、碳化硅 (SiC) 的應用場景、市場規模及增長驅動的因素

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MOSFET和IGBT是應用最為廣泛的功率器件。SiC從上世紀70 年代開始研發。2001年SiC SBD 商用,2010年SiC MOSFET商用。SiC IGBT目前還在研發中。

SiC能大大降低功率轉換中的開關損耗,因此具有更好的能源轉換效率,更容易實現模塊的小型化,更耐高溫。

SiC功率器件的主要應用:


  • 智能電網:SiC功率器件在智能電網的主要應用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器等、電力電子變壓器等裝置中。目前SiC器件已經在中低壓配電網開始了應用。未來更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電對萬伏級以上的SiC功率器件有很大需求

  • 軌道交通:主要用于牽引變流器、電力電子電壓器等。采用SiC功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率,將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統

  • 新能源汽車:SiC功率器件應用在電動汽車領域具有極大優勢。SiC功率器件的高溫特性和高熱導性能可以顯著減少散熱器的體積和降低成本,其高頻特性有助于提高電機驅動器的功率密度,減小體積,降低重量,并推動新型拓撲在電機驅動、充電樁和車載充電器中的應用

  • 光伏、風電:目前國際上光伏并網裝備市場是SiC功率器件的第二大應用市場,占SiC功率器件市場超過30 %以上。SiC光伏逆變器效率可以達到99 %以上,能量轉換損耗可以降低50%,這將極大地降低逆變器的成本和體積。風機并網裝備對中高壓SiC功率器件具有重大的需求,以代替硅器件串聯或拓撲級聯,顯著減小裝置的體積,大幅度提高風機變流器工作效率和可靠性,預計到2020年,SiC功率器件將進入風機并網裝備市場


SiC功率器件的市場空間:

2017年全球 SiC 功率半導體市場總額達 3.99 億美元。預計到2023年,SiC功率半導體的市場總額將達16.44億美元。從產品來看,SiC SBD二極管和SiC MOSFET將成為應用最多的產品。SBD二極管大量用于各種電源中,實現功率因素校正(PFC)等功能。SiC MOSFET的主要用途是在多種應用場景中替代Si IGBT。

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數據來源:Infineon

SiC功率器件的市場空間和驅動因素:

新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅動因素。目前 SiC器件在新能源車上應用主要是功率控制單元 (PCU)、逆變器,DC-DC轉換器、車載充電器等方面。


  • PCU:此為車電系統的中樞神經,管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。傳統PCU使用硅原料制成。至于使用SiC原料則可顯著降低電能損耗,約10%,同時也可以大幅降低系統大小和重量

  • 逆變器:SiC能夠大幅度降低逆變器尺寸及重量,做到輕量化與節能。在相同功率下,全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于Si 模塊,同時也可以使開關損耗降低75%。2018年,特斯拉Model3 的逆變器采用了ST生產的SiCMOSFET,每個逆變器包括了48個SiCMOSFET。Model3 的車身比ModelS 減小了20%

  • 車載充電器:SiC正在加速滲透至車載充電器領域。根據Yole統計,截至2018年有超過20家車廠在自家車載充電器中采用SiCSBD 或SiCMOSFET,這一市場在2023年之前可望保持44%的增長

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數據來源:Cree 官網;Geekcar

隨著6英寸SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質量提高,SiC 器件制備能夠在目前現有6英寸Si 基功率器件生長線上進行,這進一步降低SiC材料和器件成本,推進SiC 器件和模塊的普及。

未完待續,下期將具體為您解讀第三代半導體芯片在產業鏈各個環節 (襯底、外延、設計、制造、封裝) 的關鍵技術,及國內外產業地圖。


本文轉載自微信公眾號“祥峰投資”(ID:VertexVentures),作者:任剛、王飛。




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