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站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

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【编者按】本文为祥峰投资对第三代半导体产业研究内容,其中包含了各材料性能对比与材料应用范围,方便从底层了解半导体产业发展,系列文章较长,建议收藏阅读。本文为上篇,下篇请点击:第三代半导体产业(下)

文章来自于祥峰投资,经亿欧再次编辑,供行业人士参考。


4月20日,国家发改委首次官宣“新基建”的范围,正式定调了5G基建、人工智能、工业互联网等七大领域的发展方向。在建设需求的驱动下,一大批科技创新企业也将迎来发展的窗口期。

“新基建”作为新兴产业,一端连接着不断升级的消费市场,另一端连接着飞速发展的科技创新。值得注意的是,无论是5G、新能源汽车还是工业互联网等,“新基建”各个产业的建设都与半导体技术的发展息息相关。例如:

  • 以氮化镓(GaN) 为核心的射频半导体,支撑着5G基站及工业互联网系统的建设;

  • 以碳化硅(SiC) 以及IGBT为核心的功率半导体,支撑着新能源汽车、充电桩、基站/数据中心电源、特高压以及轨道交通系统的建设;

  • 以AI芯片为核心的SOC芯片,支撑着数据中心、人工智能系统的建设。

不难看出,氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) 为首的第三代半导体是支持“新基建”的核心材料。在“新基建”与国产替代的加持下,国内半导体厂商将迎来巨大的发展机遇。

祥峰投资中国基金自成立以来,密切关注半导体行业的发展,早在2013年就投资了半导体显示芯片供应商——云英谷科技,而后接连投资了地平线、慧智微电子、芯驰科技、移芯科技、BlueX、Lightelligence等一批高成长性的半导体芯片企业。

作为中国半导体行业的观察者,祥峰投资本次带来一份《第三代半导体产业研究报告》,将探讨以下问题,分为上、下两期具体展开:

上:

第三代半导体相较第一代、第二代有哪些进步?

为何氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 在第三代半导体中备受追捧?

氮化镓(GaN) 和碳化硅 (SiC) 的应用场景有哪些?市场规模有多大?驱动二者增长的因素有哪些?

下:

第三代半导体芯片在产业链各个环节 (衬底、外延、设计、制造、封装) 的关键技术有哪些?

国内外主要的第三代半导体厂商有哪些?

1、第三代半导体在击穿电场、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力上全面提升

半导体的应用可追溯到上世纪五六十年代,至今经历了三个时期的的发展迭代(见下图)。

祥峰投资:第一代半导体到第三代半导体对比

与第一代和第二代半导体材料相比,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、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件,可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域,包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

三代半导体材料主要性能参数比较

2、氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 是当下规模化商用最主要的选择

在第三代半导体材料中,目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),这两种材料是当下规模化商用最主要的选择。

从下表常用的“优值(Figure of Merit, FOM)”可以清晰地看出,SiC和GaN相较于前两代半导体材料在功能与特性上有了巨大的提升。

不同半导体材料优值对比

*以上优值以Si材料为单位1,进行了归一化

GaN和SiC在材料性能上各有优劣,因此在应用领域上各有侧重和互补。

GaN的高频Baliga优值显著高于SiC,因此GaN的优势在高频小电力领域,集中在1000V以下,例如通信基站、毫米波等

SiC的Keye优值显著高于GaN ,因此SiC的优势在高温和1200V以上的大电力领域,包括电力、高铁、电动车、工业电机等

在中低频、中低功率领域,GaN和SiC都可以应用,与传统Si基器件竞争

GaN与SiC的应用领域

3、氮化镓(GaN) 的应用场景、市场规模及增长驱动的因素

GaN器件主要包括射频器件、电力电子功率器件、以及光电器件三类。GaN的商业化应用始于LED照明和激光器,其更多是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性,相关产业已经发展的非常成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要应用领域。

GaN射频器件

GaN射频器件

射频器件的主要技术包括硅基的RF CMOS、Si-LDMOS方案,基于GaAs的方案,以及GaN方案。

  • 硅基的RF CMOS适用于低频、低功率领域。在蓝牙、Zigbee应用占主导地位,一些WiFi和低端手机也使用该方案

  • GaAs方案适合小功率应用,通常低于50W,是目前4G/LTE基站射频芯片的主要技术之一。大部分手机的功放芯片也使用GaAs方案。短期内5G的手机终端也仍然是GaAs方案

  • Si-LDMOS(横向扩散MOS)是目前4G/LTE基站射频芯片的主要技术之一。LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在3.5 GHz以下

  • GaN方案则弥补了GaAs和Si-LDMOS这两种传统技术的缺陷,将在高功率,高频率射频市场优势明显,特别是在高频(大于8 GHz)、中大功率(10W~100W)范围

数据来源:Yole

GaN射频器件的应用优势:

  • GaN在功率密度上的优势使得芯片体积大为缩小

  • 5G基站会用到多发多收天线阵列方案,GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进

  • 在高功率,高频率射频应用中,获得更高的带宽、更快的传输速率,以及更低的系统功耗

    此外,GaN射频功率晶体管,可作为新的固态能量微波源,替代传统的2.45GHz磁控管,应用于从微波炉到高功率焊接机等消费电子和工业领域。

射频工艺对比

数据来源:Qorvo

GaN射频器件的市场规模:

“GaN射频器件全球市场预计到2024年成长至20亿美元,虽然在整个百亿美元的射频芯片市场中的占比仍然较小,但是增速可期。”

根据Yole的预测,GaN射频器件市场预计到2024年成长至20亿美元,6年CAGR达到21%。主要的市场增长来自无线通信基础设施和军工。5G的普及将推动GaN在无线通信的市场达到7.5亿美元

需要指出的是,整个半导体射频器件的市场空间规模在百亿美元。其中GaAs器件仍然占据的绝大部分市场份额。2014 年,全球射频功放芯片(PA)市场规模为73.9 亿美元,由于GaAs PA相对Si 基CMOS PA 性能优势明显,砷化镓PA产值市场占比高达94%。受益于移动终端升级、物联网产业的持续发展,PA 市场总量预计2020 年将增至114.16 亿美元,2014 至2020年复合增长率为7.51%

数据来源:Yole, IBS

GaN射频器件的驱动因素:

需求侧,5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。

供给侧,GaN on SiC、GaN on Si的技术不断成熟,让GaN功率器件有了更高的性价比,打开应用空间。

GaN功率器件

GaN功率器件,与前述GaN射频功率芯片有所区分。主要指在高电压和较大电流下工作,与高频和射频关系不大。这类最常见的应用是电源相关的芯片。

功率器件主要是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。不同于其他依靠电流驱动的晶体管,MOSFET是电压驱动型器件,只需在门极施加一个合适的电压,MOSFET就会导通。这一特性让MOSFET在AC/DC开关电源、变速电机、荧光灯、DC/DC转换器等设备中有着无法替代的作用。

GaN功率器件的主要应用:

  • 消费电子:GaN由于高功率密度和良好的温度特性,用在电源上可兼顾小体积与大功率输出,此外还具有更好的开关特性。

  • 数据中心电力系统:数据中心包含许多大功率的服务器,通常需要大电流和低电压,再加上冷却系统,用电成本高昂。将高电压转换为较低的直流电,用于通常需要多个DC-DC变换,每一个功率变换阶段,效率都会下降。如果可以使用高压器件进行转换,则可以减少电压转换的次数,从而提高整个系统的转换效率。

  • 光伏逆变器:使用GaN功率器件,工作在超过100 kHz的开关频率下,可以大大提高系统的逆变效率。

  • 其他领域还包括DC-DC转换器、POL转换器,以及电机驱动和D类大功率音频放大器等。

GaN功率器件的市场规模:

2017 年全球功率半导体市场规模为 327 亿美元,预计到 2022 年达到 426 亿美元。工业、汽车、无线通讯和消费电子是前四大终端市场。

GaN器件在整个功率半导体市场占比还非常小。2016年GaN功率器件市场规模约为1200万美元,预计到2022年将增长到4.6亿美元,CAGR达到79%。主要增长来自电源管理、新能源车、LiDAR、无线功率和封包追踪等应用。

随着GaN on Si技术的成熟带来成本降低,GaN功率器件的潜在市场空间将持续放大。GaN 有望在中低功率替代Si MOSFET、IGBT 等硅基功率器件。根据Yole估计,在0~900V 的低压市场,GaN 都有较大的应用潜力,这一块占据整个功率市场约68%的比重,按照整体市场400亿美元来看,GaN 功率器件的潜在市场超过270 亿美元。

数据来源:Yole, IBS

4、碳化硅 (SiC) 的应用场景、市场规模及增长驱动的因素

SiC器件产品与市场分析

MOSFET和IGBT是应用最为广泛的功率器件。SiC从上世纪70 年代开始研发。2001年SiC SBD 商用,2010年SiC MOSFET商用。SiC IGBT目前还在研发中。

SiC能大大降低功率转换中的开关损耗,因此具有更好的能源转换效率,更容易实现模块的小型化,更耐高温。

SiC功率器件的主要应用:

  • 智能电网:SiC功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器等、电力电子变压器等装置中。目前SiC器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电对万伏级以上的SiC功率器件有很大需求。

  • 交通:主要用于牵引变流器、电力电子电压器等。采用SiC功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。

  • 新能源汽车:SiC功率器件应用在电动汽车领域具有极大优势。SiC功率器件的高温特性和高热导性能可以显著减少散热器的体积和降低成本,其高频特性有助于提高电机驱动器的功率密度,减小体积,降低重量,并推动新型拓扑在电机驱动、充电桩和车载充电器中的应用。

  • 光伏、风电:目前国际上光伏并网装备市场是SiC功率器件的第二大应用市场,占SiC功率器件市场超过30 %以上。SiC光伏逆变器效率可以达到99 %以上,能量转换损耗可以降低50%,这将极大地降低逆变器的成本和体积。风机并网装备对中高压SiC功率器件具有重大的需求,以代替硅器件串联或拓扑级联,显著减小装置的体积,大幅度提高风机变流器工作效率和可靠性,预计到2020年,SiC功率器件将进入风机并网装备市场。

SiC功率器件的市场空间:

2017年全球 SiC 功率半导体市场总额达 3.99 亿美元。预计到2023年,SiC功率半导体的市场总额将达16.44亿美元。从产品来看,SiC SBD二极管和SiC MOSFET将成为应用最多的产品。SBD二极管大量用于各种电源中,实现功率因素校正(PFC)等功能。SiC MOSFET的主要用途是在多种应用场景中替代Si IGBT。

SiC功率器件市场空间

数据来源:Infineon

SiC功率器件的市场空间和驱动因素:

新能源汽车是SiC功率器件市场的主要增长驱动因素。目前 SiC器件在新能源车上应用主要是功率控制单元 (PCU)、逆变器,DC-DC转换器、车载充电器等方面。

  • PCU:此为车电系统的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU使用硅原料制成。至于使用SiC原料则可显著降低电能损耗,约10%,同时也可以大幅降低系统大小和重量。

  • 逆变器:SiC能够大幅度降低逆变器尺寸及重量,做到轻量化与节能。在相同功率下,全SiC模块的封装尺寸显著小于Si 模块,同时也可以使开关损耗降低75%。2018年,特斯拉Model3 的逆变器采用了ST生产的SiCMOSFET,每个逆变器包括了48个SiCMOSFET。Model3 的车身比ModelS 减小了20%。

  • 车载充电器:SiC正在加速渗透至车载充电器领域。根据Yole统计,截至2018年有超过20家车厂在自家车载充电器中采用SiCSBD 或SiCMOSFET,这一市场在2023年之前可望保持44%的增长。

SiC器件在四个关键领域提升电动车效率

数据来源:Cree 官网;Geekcar

随着6英寸SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高,SiC 器件制备能够在目前现有6英寸Si 基功率器件生长线上进行,这进一步降低SiC材料和器件成本,推进SiC 器件和模块的普及。

未完待续,下期将具体为您解读第三代半导体芯片在产业链各个环节 (衬底、外延、设计、制造、封装) 的关键技术,及国内外产业地图。点击链接即可阅读:站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (下)