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数说产业:快速崛起的第三代半导体产业

2020-4-30 11:46| 发布者: sara| 查看: 238 |原作者: Simon.xie |来自: SuperIC社区

摘要: 第三代半导体已成为全球半导体产业技术竞争的焦点之一,其凭借优异的性能在电子产业中得到越来越广泛的应用。目前我国已开始进行全球最大、最复杂、发展最快的能源互联网建设;正在建设全球规模最大的高铁和城市轨道 ...
1,半导体材料的发展历程

半导体材料从上个世界50年**始发展,到现在已经历经了三代。第一代半导体称为元素半导体,典型如IV族的硅(Si)基和锗基半导体,但锗基材料耐高温和抗辐射性能较差,很快被硅基材料所取代。目前世界上95%的半导体材料为硅基材料。第二代半导体称为化合物半导体,包括III-V族砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等,以及三元化合物、固溶体、玻璃半导体、有机半导体等类型,代表性的GaAs主要应用于通信领域,发展最为成熟。


第三代半导体主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石为代表的禁带宽度(Eg)大于2.2eV(电子伏特)的宽禁带半导体材料,亦被称为高温半导体材料。根据其发展情况,主要应用领域为半导体照明、电力电子器件、激光和探测器以及其他领域。其中碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)发展成熟应用广泛,被称为第三代半导体材料双雄,而金刚石、氧化锌、氮化铝等材料尚处于研发起步阶段。


第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,性能优势明显,但是现阶段制造成本较高,主要应用于对性能要求较高的半导体光电子、微波射频、电力电子器件、新能源、汽车等新兴应用领域。

2,第三代半导体的技术特点和应用价值

固体中价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带,禁带的宽度反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量。例如硅的禁带宽度为1.12电子伏特(eV),而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在2.2eV及以上的半导体材料。


宽禁带材料可以耐受更高的温度和电压,相对于同样电压等级的硅器件,SiC和GaN的芯片die尺寸可以做得更小,它的Depletion region(耗尽层)的面积可以更小,因此导通电阻和寄生电容等寄生参数小,导通电阻小则导通压降就小,工作时损耗小发热少。寄生电容小则器件的开关速度可以更快且开关损耗小,更适合高频应用场合。因此第三代半导体相对于Si材料更适用于高频、高压、高温工作场合,SiC器件的极限工作温度可以超过600℃,远高于Si器件的150℃,并且具备极好的抗辐射性能。


GaN与SiC、GaAs、Si材料各有其优势应用领域,也有彼此应用重叠的地方。第一代半导体材料Si的成本低廉且易于生产,适用于数字逻辑芯片、存储芯片等;第二代半导体材料GaAs主要应用在光电子和微波射频领域;第三代半导体GaN材料除了热导率指标远逊于SiC外,其他指标均领先,因此如果结合SiC衬底,特别适合应用在高频大功率场景,而SiC主要应用场景就是高电压大功率,以及作为优质的衬底材料。如果按照功率器件工作电压来分,0~300V是Si材料占据优势的区域,300V~600V之间是GaN材料的优势领域,600V以上的应用领域SiC优势明显。


从对比数据可以看到,采用GaN功率器件的电源转换电路相比Si器件只提高了3%-5%的转换效率,但是考虑到从电子设备从能量源头到最终实现功能的过程中,能量需要经过多次的转换,效率叠加后,预估整体系统的平均节能改善可以高达15%以上。


第三代半导体器件的性能虽然优异,但是高昂的成本和产能小制约其广泛应用。目前类似参数和条件下,SiC和GaN器件的价格会是普通硅器件的数倍。因此目前主要应用在对性能要求高且对价格不敏感的一些领域,例如新能源汽车、汽车充电桩、太阳能逆变器、光电子、大功率射频放大等。行业预计当第三代半导体器件的成本降到只有硅器件的2~3倍的时候,将有机会形成庞大的市场应用规模。

3,第三代半导体的产业发展格局

全球SiC的整体产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势,其中美国处于行业领先地位,全球SiC产量有70%~80%是来自Cree、Ⅱ-Ⅵ等美国公司。欧洲也拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,典型公司包括英飞凌、意法半导体等。日本是设备和模块开发方面的领先者,拥有如罗姆半导体、三菱电机、富士电机等领先企业。

SiC外延片的主要生产企业包括DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等。器件市场主要被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等企业瓜分,其中美国Cree公司是全球SiC市场龙头企业,占据衬底市场约40%的份额和器件市场约23%的份额;美国Ⅱ-Ⅵ公司、日本罗姆合计占据SIC衬底市场的35%,是SIC衬底市场Cree主要竞争对手。日本罗姆、三菱电机、德国Infineon等是Cree在器件市场上的主要竞争对手。根据IHS统计的数据,2017年SiC器件市场,Cree占据了26%的市场份额,其次为罗姆(21%)和英飞凌(16%)。


国内SiC产业起步较晚但发展迅速,目前整体产业链发展水平相比世界领先水平尚落后五年左右,不过在一些技术环节上已经处于同步水平。国内企业从前端的衬底、外延片以及后端的器件和模组全方位进行追赶。衬底方面,国外主流产品已经转向6吋,并成功研发8吋的产品,我国尚处以4吋为主阶段。外延片方面,6吋的产品已经可以实现本土供应,并在全球市场展开直接竞争。器件方面,国外600-1700V的器件实现产业化,国内的600-3300V产品研发已见成效,1200V的产品准备产业化,差距正在缩小。

全球GaN市场则由日本厂商主导,超过85%的市场份额掌握在住友电工、三菱化学及住友化学3家日本企业手中。GaN器件主要用于射频、功率器件,GaN射频器件以GaN on SiC为主要技术路线,在全球GaN射频器件供应商中,住友电工和Cree是行业的龙头企业,市占率均超过30%,其次为Qorvo、MACOM、II-VI等企业。更具发展前景的低成本GaN on Si技术则由意法、MACOM研发联盟所主导。


GaN 产业链按环节分为:衬底→GaN材料外延→器件设计→器件制造,核心技术主要也集中在国外企业手上。我国在GaN上的布局也较晚,研究工作是始于2013年,现阶段国内企业在衬底、外延和设计制造领域都开始涉足,但是在氮化镓基底的器件研发、生产上仍然面临断层。

4,第三代半导体的知识产权分布状况

2000年前后,第三代半导体相关的专利申请数量开始快速增长,早期由美国领衔全球专利数的增长,2010年前后我国的申请量首次超过美国居首位,目前美国、日本、中国、韩国、德国的相关专利申请量增长较快。


截至2018年9月30日,第三代半导体产业专利总量约为8.751万件。SiC、GaN、其他金属氧化物这三个方向上专利申请数量较为接近,其中SiC材料功率半导体和器件工艺是研发的热门领域,GaN材料领域的外延生长和光电子领域的研发投入比重也较大。


Yole旗下公司Knowmade深入调研了与SiC功率电子相关的专利态势,包括MOSFET、SBD和功率模块。功率SiC专利现状目前主要呈现两方面的特点,一方面是中国厂商的积极专利布局;另一方面是日本厂商的继续主导以及汽车厂商的强势进入。日本集成商,尤其是电装(Denso)和富士电机(Fuji Electric),在SiC MOSFET相关专利申请中处于领先地位。

全球GaN专利申请量排名前五的国家和地区分别是日本、中国大陆、美国、韩国、中国台湾,其中中国大陆的专利量申请量占全球的23%,不过产业化发展程度比欧美日低。虽然在新增专利数量方面国内有一定优势,但整体市场的主导力量仍是以欧美日企业。

5,第三代半导体产业的发展瓶颈

对比三代半导体材料的特点可以发现,基于Si的CMOS工艺在低功耗、高集成度、低成本、工艺兼容性等方面优势显著。第二代半导体材料GaAs 在高频传输领域具有优异的物理性能。第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力,更适合制作高温、高频、抗辐射的大功率器件。

SiC晶体属于化合物半导体材料,只能通过化学合成的方式获得,根据原子的排列结构不同,可以形成几百种形态各异的晶体结构,晶体结构的不同,决定了材料的性能和应用领域的不同。比较常用的如α晶型结构(2H、4H、6H、15R)和β晶型结构(3C-SiC)等,其中α晶型4H晶型由于具备较高的载流子迁移率,能够提供较高的电流密度,常被用来做功率器件,主要用来制造大功率器件;6H晶型结构最稳定,通常用来制作光电器件;β晶型结构(3C-SiC)可以用来制造高频器件或作为优质衬底,GaN搭配碳化硅衬底,性能明显优于使用Si衬底的器件,经常用在一些高性能、高要求的场合。


SiC合成工艺很复杂导致生产速度非常缓慢,因此SiC晶圆的价格通常高出Si晶圆的数倍,例如SiC 4吋晶圆报价需要3000多元人民币,6吋晶圆在7000元以上,即便如此,市场整体还处在供不应求的短缺局面。


在SiC晶圆生长过程中,长晶所用的源头晶种要求纯度很高,比较难获得。而且SiC长晶的直径通常只能做到4-6吋,长晶的速度只有Si晶圆生长速度的几十分之一,而且长晶过程中的温度、流量和压力一旦出现控制失误,就可能会造成晶柱品质下降甚至报废。行业分析显示,SiC的衬底和外延的成本占到器件总成本的75%,而工艺和封装成本仅占30%。


美国的Cree公司(占有80%市场份额)、德国SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC先进的生长技术,能够产出品质较高的晶圆和衬底产品。现阶段产业链距离类似Si材料的大规模工业化生产和产业化应用还有较大差距。其他的厂商受限于技术水平、专利保护以及成本门槛,比较难进入这一市场。

SiC衬底的主流尺寸是4-6吋,8吋产品已由II-VI公司和Cree公司研制成功。大尺寸、低缺陷的衬底、外延制备技术是产业技术发展的重点。数据显示,采用6吋的衬底相对4吋衬底能够节省大约30%的器件制备成本,此外控制结晶缺陷密度提升良率也是降低整体成本的关键。

GaN优异的特性在5G时代有着丰富的应用场景,包括在射频功能放大和电源设备领域。此外在微波通信、便携快充、光电子、汽车等领域应用广泛,随着主流的GaN技术厂商研发以Si为衬底的GaN的器件,在消费电子领域替代昂贵的SiC衬底,预计当GaN MOSFET的成本降低到与传统的Si器件接近时,市场应用将会迎来大面积爆发。

GaN器件采用GaN同质衬底或SiC衬底时价格昂贵,而如果采用Si衬底工艺,将具备大尺寸加工优势,生产成本将显著下降,因此在Si衬底上实现GaN功率器件产业化已成为当前技术发展的重要方向。

6,SiC的应用场景

SiC器件凭借高压、高频、高温、长寿命十大优势,正在广泛地被应用在电力电子领域中,典型的应用场景包括新能源、电动汽车、充电桩、轨道交通、功率因数校正电源、不间断电源等。其中在新能源汽车领域内的应用将会是第一大市场,第二大市场是光伏新能源领域。


早在2014年,丰田汽车就宣布使用SiC功率半导体替代Si产品,将混合动力汽车的燃油效率提高10%,新的功率控制单元(PCU)产品将尺寸缩小了80%。特斯拉已经将ST的650V SiC MOSFET功率模块集成到Model 3的逆变器中。Model 3的逆变器模块中需要用到48个SiC MOSFET管芯。在采用SiC器件后,逆变器效率提升5-8%,续航能力改善5%左右。前期增加300美元的物料成本,但是预计可节省2000美元的系统成本。据悉为了保证未来的稳定供货,ST已经锁定上游厂商25万片6吋SiC晶圆。


在新能源汽车领域,SiC-MOSFET已经在部分车型中开始商业化应用。而混合型SiC模块(Si-IGBT+SiC-SBD)被认为是综合器件性能和材料成本的折衷优化选择。SiC混合模块采用大芯片面积、大电流等级的Si-IGBT作为主器件,小芯片面积、小电流等级的SiC-MOSFET 作为辅助器件。二者并联使用,实现小电流时由SiC-MOSFET导通,大电流时则IGBT导通。数据显示,混合SiC器件的IGBT导通损耗可以减少55%,二极管关断损耗减少95%。如果将其运用到铁路牵引系统,预计将减少30%的功率损耗。而且模块体积也可以减小30%左右。
    
光伏行业是SiC功率器件的第二大应用市场,采用SiC器件的光伏逆变器效率可达到99%以上,能量转换损耗能够比Si器件降低50%,并能极大地降低逆变器的体积和成本,在过去几年,光伏逆变器市场经历过IGBT/SiC混合升压模块到全SiC模块的过程,预计光伏应用占到SiC功率器件市场超过30%份额。

7,GaN应用场景

GaN是镓和氮的化合物,能隙带宽3.4eV,整体性能参数出色,并且拥有更大的成本控制潜力。与传统Si器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了飞跃。三大应用领域包括微波射频、功率器件和光电子领域(LED、显示、探测器等),近来均取得较大的突破。


在常用的高频微波半导体材料和工艺中,基于功耗和成本因素考量,消费类终端产品通常采用低成本的CMOS RF技术;低功耗无线接入产品会根据应用场景需求,选择性地采用CMOS RF、SiGe BiCMOS或GaAs工艺;而在高功率基站射频领域则是GaAs和GaN的天下,特别是在5G的毫米波通信领域,GaN具备明显优势。

基于Si的LDMOS只能用于3.5GHz以下的应用,而且工作电压低(6V),砷化镓虽然频率可以做到40GHz,但是工作电压也仅能提升到10V,因此所能提供的功率仍然有限(通常低于50W),需要多级放大叠加才能达到功率指标,所以器件尺寸通常会比较大,成本也高。使用GaN可以在将工作频率延伸到110GHz的毫米频段,工作电压超过28V,GaN器件的功率密度可达6~8W/mm(LDMOS为1~2W/mm),且无故障工作时间可达100万小时,综合性能优势明显。凭借着优良的特性,GaN可以广泛地应用在5G的射频电路中,是一项关乎5G成败的关键技术。


在电源管理领域,GaN器件也具备明显的技术优势。在300-600V的电压范围,GaN在芯片面积、电路效率和开关频率方面明显优于Si器件,工作在更高的开关频率下可以使得产品更加轻薄、高效。

采用GaN的快充方案可以很好地解决5G智能手机大电池带来的充电时长问题。GaN器件应用在手机充电器上,实现了输出大功率的同时保持充电器体积小巧可控,目前国内已有多家厂商积极布局GaN快充市场。

随着GaN器件成本的下降,GaN有望在中低功率领域取代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。根据Yole的统计,GaN器件可以适用于68%的功率器件市场。


20世纪90年代,高亮度GaN基蓝光发光二极管(LED)的诞生开启了半导体照明时代,其具备的发光效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点,被认为是最有可能替代传统照明的新型固态冷光源。而且GaN基紫外激光器、UVLED在紫外固化、紫外杀菌等领域有重要的应用价值。

8,第三代半导体的市场前景

第三代半导体材料的应用前景十分广阔,随着采用硅衬底的低成本化合物半导体器件逐渐普及,未来将有望和Si器件以及全化合物半导体器件将会形成三分天下的格局。


Yole的统计数据显示,2017年全球碳化硅功率器件(包括SiC JBS和MOSFET)的市场接近17亿元人民币。预计到2024年,SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元,2018-2024年期间的年复合增长率约30%,2024年将占SiC功率半导体市场50%的份额。其中汽车市场用量增长是最重要的驱动因素,电动车行业市场应用有望迎来爆发(年复合增长率达到 81.4%),此外光伏、通信等市场空间也较大。


考虑到市场需求的增长,美国Cree计划在未来5年内投资10亿美元扩大SiC产能,预计到2024年SiC晶圆、衬底产能将比2016年的规模扩大30倍。Cree的North Fab新工厂新产线预计在2020年投产,届时6吋SiC晶圆的产能将提升18倍,8吋的新产线计划在2024年量产。Yole表示,2023年SiC晶圆的市场总规模可达15亿美金,年复合成长率超过31%。

GaN近年来的增长速度很快,2017年全球GaN功率器件的市场空间约为1000万美金,预计到2023年,GaN功率器件的市场空间将增长到4.3亿美元,对应的年复合增速为87%。


随着用户对便携性的需求提升和产品价格下降,2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元,2025年将快速上升至638亿元,5年CAGR高达94%, GaN芯片在其他新兴领域对Si基产品的替代速度将加快。 

GaN on-Si技术有望挑战BTS和RF功率市场中现有的LDMOS解决方案,随着5G到来,宏基站和毫米波小基站建设的开展,国防、卫星通信、有线宽带和射频功率的贡献,GaN射频市场规模将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的约20亿美元,年复合增长率将达到21%。


GaN在LED市场的增量主要来自Micro/mini LED市场,根据LEDinside分析,2022年Micro LED以及Mini LED的市场产值预计将会达到13.8亿美元的规模,其中显示屏应用成长速度最快,2018-2023的年复合增长率预计超过50%。

随着UV LED技术的成熟和成本下降、环保政策及新冠状肺炎疫情影响,UV LED代替汞灯的发展趋势更加明确,UVC LED一度出现供不应求的局面,预计在疫情过后,消费者对于杀菌消毒的产品需求只会有增无减。高工产研LED研究所(GGII)数据显示,2018年全球UV LED器件市场增速达到46%,随着UV LED技术成熟和UV LED器件价格的下滑,UV LED渗透率将持续提高,GGII预计2020年全球UV LED市场规模将达35.5亿元人民币。LEDinside发布的预测显示,2023 年市场规模将达9.91亿美金,2018-2023年复合增长率达到27%。


第三代半导体已成为全球半导体产业技术竞争的焦点之一,其凭借优异的性能在电子产业中得到越来越广泛的应用。目前我国已开始进行全球最大、最复杂、发展最快的能源互联网建设;正在建设全球规模最大的高铁和城市轨道交通网络;同时中国也是全球新能源汽车增长速度最快的国家之一;正在建设全球最大规模的5G移动通信网络,以及全球产能最大、市场最大的半导体照明产业。在这些应用场景,都需要第三代半导体材料和器件的支撑。



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