第一、二、三代半导体的发展

strongerHuang 2020-11-04
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来源 | GaN世界


据了解,我国计划把大力支持发展第三代半导体产业,写入“十四五”规划,计划在2021-2025年期间,在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面,大力支持发展第三代半导体产业,以期实现产业独立自主。

什么是第三代半导体?
第三代半导体是以碳化硅SiC、氮化镓GaN为主的宽禁带半导体材料,具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。
一、二、三代半导体什么区别?
一、材料
第一代半导体材料,发明并实用于20世纪50年代,以硅(Si)、锗(Ge)为代表,特别是硅,构成了一切逻辑器件的基础。 我们的CPU、GPU的算力,都离不开硅的功劳。
第二代半导体材料,发明并实用于20世纪80年代,主要是指化合物半导体材料,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表。 其中砷化镓在射频功放器件中扮演重要角色,磷化铟在光通信器件中应用广泛……
而第三代半导体,发明并实用于本世纪初年,涌现出了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等具有宽禁带(Eg>2.3eV)特性的新兴半导体材料,因此也被成为宽禁带半导体材料。
二、带隙 
第一代半导体材料,属于间接带隙,窄带隙; 第二代半导体材料,直接带隙,窄带隙; 第三代半导体材料,宽禁带,全组分直接带隙。
  和传统半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关 频率下运行。
三、应用
第一代半导体材料主要用于分立器件和芯片制造;
第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料,广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光 器和卫星导航等领域。
三代半导体材料广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件,应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。 第三代半导体材料已被认为是当今电子产业发展的新动力。
以第三代半导体的典型代表碳化硅(SiC)为例,碳化硅具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点,使得其器件适用于高频高温的应用场景,相较于硅器件,碳化硅器件可以显著降低开关损耗。 因此,碳化硅可以制造高耐压、大功率的电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等,用于智能电网、新能源汽车等行业。 与硅元器件相比,氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点,是超高频器件的极佳选择,适用于5G通信、微波射频等领域的应用。
  第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性,相比第一代硅基半导体可以降低50%以上的能量损失,同时使装备体积减小75%以上。
第三代半导体属于后摩尔定律概念,制程和设备要求相对不高,难点在于第三代半导体材料的制备,同时在设计上要有优势。
第三代半导体现状
由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势,多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用,无法挑战硅基半导体的统治地位。
  目前碳化硅衬底技术相对简单,国内已实现4英寸量产,6英寸的研发也已经完成。 氮化镓(GaN)制备技术仍有待提升,国内企业目前可以小批量生产2英寸衬底,具备了4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸样品。
第三代半导体的机遇
在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下,第三代半导体材料有望迎来加速发展。硅基半导体的性能已无法完全满足5G和新能源汽车的需求,碳化硅和氮化镓等第三代半导体的优势被放大。
另外,制备技术的进步使得碳化硅和氮化镓器件成本不断下降,碳化硅和氮化镓的性价比优势将充分显现。 初步判断,第三代半导体未来的核心增长点将集中在碳化硅和氮化镓各自占优势的领域。
一、碳化硅(SiC)
常被用于功率器件,适用于600V下的高压场景,广泛应用于新能源汽车、充电桩、轨道交通、光伏、风电等电力电子领域。新能源汽车以及轨道交通两个领域复合增速较快,有望成为碳化硅市场快速增长的主要驱动力。
计到2023年,碳化硅功率器件的市场规模将超过15亿美元,年复合增长率为 31%。  
1.新能源汽车
在新能源汽车领域,碳化硅器件主要可以应用于功率控制单元、逆变器、车载充电器等方面。碳化硅功率器件轻量化、高效率、耐高温的特性有助于有效降低新能源汽车的成本。
  2018年特斯拉Model 3采用了意法半导体生产的碳化硅逆变器,是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率模块的车企。
  以Model 3搭载的碳化硅功率器件为例,其轻量化的特性节省了电动汽车内部空间,高效率的特性有效降低了电动汽车电池成本,耐高温的特性降低了对冷却系统的要求,节约了冷却成本。
  此外,近期新上市的比亚迪汉EV也搭载了比亚迪自主研发并制造的高性能SiC-MOSFET 控制模块。
2.轨道交通
在轨道交通领域,碳化硅器件主要应用于轨交牵引变流器,能大幅提升牵引变流装置的效率,符合轨道交通绿色化、小型化、轻量化的发展趋势。
  近日完成调试的苏州3号线0312号列车是国内首个基于碳化硅变流技术的牵引系统项目。 采用完全的碳化硅半导体技术替代传统IGBT技术,在提高系统效率的同时降低了噪声,提升了乘客的舒适度。
  二、氮化镓(GaN)
侧重高频性能,广泛应用于基站、雷达、工业、消费电子领域:
1.5G基站
氮化镓射频器件更能有效满足5G高功率、高通信频段的要求。5G基站以及快充两个领域复合增速较快,有望成为氮化镓市场快速增长的主要驱动力。基于氮化镓工艺的基站占比将由50%增至58%,带来大量氮化镓的新增需求。
预计到2022年,氮化镓器件的市场规模将超过25亿美元,年复合增长率为17%。

2.快充

氮化镓具备导通电阻小、损耗低以及能源转换效率高等优点,由氮化镓制成的充电器还可以做到较小的体积。安卓端率先将氮化镓技术导入到快充领域,随着氮化镓生产成本迅速下降,氮化镓快充有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。预计全球氮化镓功率半导体市场规模从2018年的873万美元增长到2024年的3.5亿美元,复合增长率达到85%。

2019年9月,OPPO发布国内首款氮化镓充电器SuperVOOC 2.0,充电功率为65W; 2020年2月,小米推出65W 氮化镓充电器,体积比小米笔记本充电器缩小48%,并且售价创下业内新低。
随着氮化镓技术逐步提升,规模效应会带动成本越来越低,未来氮化镓充电器的渗透率会不断提升。
 中国三代半导体材料中和全球的差距
一、中国以硅为代表的第一代半导体材料和国际一线水平差距最大
1.生产设备
几乎所有的晶圆代工厂都会用到美国公司的设备,2019年全球前5名芯片设备生产商3家来自美国;而中国的北方华创、中微半导体、上海微电子等中国优秀的芯片公司只是在刻蚀设备、清洗设备、光刻机等部分细分领域实现突破,设备领域的国产化率还不到20%。
2.应用材料
美国已连续多年位列第一,我国的高端光刻胶几乎依赖进口,全球5大硅晶圆的供应商占据了高达92.8%的产能,美国、日本、韩国的公司具有垄断地位。
3.生产代工
2019年台积电市场占有率高达52%,韩国三星占了18%左右,中国最优秀的芯片制造公司中芯国际只占5%,且在制程上前面两个相差30年的差距。
二、中国以砷化镓为代表的第二代半导体材料已经有突破的迹象
1.砷化镓晶圆环节
据Strategy Analytics数据,2018年前四大砷化镓外延片厂商为IQE(英国)、全新光电(VPEC,台湾)、住友化学(Sumitomo Chemicals,日本)、英特磊(IntelliEPI,台湾),市场占有率分别为54%、25%、13%、6%。 CR4高达98%。

2.砷化镓晶圆制造环节(Foundry+IDM)

台湾系代工厂为主流,稳懋(台湾)一家独大,占据了砷化镓晶圆代工市场71%的市场份额,其次为宏捷(台湾)与环宇(GCS,美国),分别为9%和8%。
3.砷化镓元器件
砷化镓元器件产品(PA为主),也是以欧美厂商为主,最大的是Skyworks(思佳讯),市场占有率为30.7%; 其次为Qorvo(科沃,RFMD和TriQuint合并而成),市场份额为28%; 第三名为Avago(安华高,博通收购)。 这三家都是美国企业。
可见,在砷化镓三大产业链环节(晶圆、晶圆制造代工、核心元器件),目前都以欧美、日本和台湾厂商为主导。 中国企业起步晚,在产业链中话语权不强。
不过从三个环节来看,已经有突破的迹象。如华为就是将手机射频关键部件PA通过自己研发然后转单给三安光电代工的。
三、中国在以氮化镓和碳化硅为代表第三代半导体材料方面有追赶和超车的机会
由于第三代半导体材料及应用产业发明并实用于本世纪初年,各国的研究和水平相差不远,国内产业界和专家认为第三代半导体材料成了我们摆脱集成电路(芯片)被动局面、实现芯片技术追赶和超车的良机。就像汽车产业,中国就是利用发展新能源汽车的模式来拉近和美、欧、日系等汽车强国的距离的,并且在某些领域实现了弯道超车、换道超车的局面。三代半材料性能优异、未来应用广泛,如果从这方面赶超是存在机会的。
 中国三代半导体材料相关公司

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