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2020:第三代半导体的网红之年

2021-02-13
来源:集微网
关键词: 半导体 SiC材料 GaN


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要评选2020年半导体行业的热词,第三代半导体必然上榜。以绝代双骄碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表,全行业对第三代半导体的热情达到了历史新高。国际巨头纷纷扩充产能,抢占市场份额,国内产业界更是将其视为实现独立自主,甚至是弯道超车的天赐良机。贯穿整个2020年,第三代半导体的市场行情走出了一条陡峭上升的曲线。


总体市场概况


第三代半导体最大的应用领域还是功率器件市场。经过2018年到2019年的快速发展,SiC和GaN都成为了功率器件市场中的关键材料。由于汽车和主流消费应用的引领,SiC和GaN的销售收入快速增加。根据 Omdia发布的《2020 年SiC和GaN功率半导体报告》,SiC和GaN功率半导体的销售收入,从2018年的5.71 亿美元增至2020年底的8.54亿美元。未来十年的市场收入将以两位数增长,到2029 年超过50亿美元。


分开来看,SiC和GaN市场都将有惊人的增速。据Yole预测,2023年SiC功率器件的市场规模将增长至14亿美元,2019-2023的CAGR为28.9%;而据IHS Market预测,2024年GaN功率器件市场规模将达到6亿美元,2019-2024年的CAGR为51.17%。


此外,GaN由于其优异的高频性能,未来在射频领域也具备良好的发展空间,预计到 2024 年,全球 GaN市场规模将达到20亿美元,复合增长率为21%。


国内市场也是形势喜人。在5G、新基建的发展带动下,2020年SiC、GaN功率器件和微波射频产值预计将约为70亿元。


其中,国内的SiC、GaN功率器件产业产值2020年将达到35.35亿元,比去年的29.03亿元将增长21.77%;GaN微波射频产业产值2020年将达到33.75亿元,比去年的26.15亿元将增长29%。


随着政策倾斜力度的不断加大,第三代半导体在国内正迎来发展的窗口期,相关机构预计,2020年国内第三代半导体市场规模有望在2025年增加至35亿美元,年复合增长率超过20%。


汽车的新擎SiC


SiC材料制作的功率器件如SiC MOS,可实现比Si基的IGBT更低的导通电阻,从而缩小了产品体积,大幅降低了功耗,成为高压/高功率/高频的功率器件相对理想的材料。在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对效率、节能和损耗等指标比较看重的领域,SiC具有优异的发展前景。


在2018年,特斯拉率先在逆变器模组上采用了24颗碳化硅SiC MOSFET,该产品由意法半导体提供,随后英飞凌也成为了特斯拉的SiC功率半导体供应商。由此引发了SiC在汽车市场的爆发式增长。多家以及零部件制造商(如采埃孚和博世)与整车制造商OEM(如比亚迪和雷诺)都在近期宣布在其部分产品中采用碳化硅技术。


2020年7月,比亚迪自主研发、制造的SiC MOSFET功率器件搭载在汉EV四驱高性能版上,使其最终其SiC模块实现了可达200KW的输出功率,提升一倍的功率密度,百公里加速度仅为3.9秒,较之采用IGBT 4.0芯片的全新一代唐EV的4.4秒高于0.5秒。


在碳化硅快速发展的市场中,汽车这一细分领域将成为最主要的驱动力。据Omdia预测,汽车市场将在2025 年SiC器件总市场中占据超过50%的份额。


与电动汽车配套的快充充电桩也将成为SiC MOS大显身手的空间。由于目前SiC的成本依然较高,因此会在高功率规格的快速充电桩首先导入。在光伏领域,高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势,因此基于性能更优异的SiC材料的光伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。


按照具体的产品类型来划分,到2020 年底,SiC MOSFET的销售收入约为3.2亿美元,与肖特基二极管的收入相当。从2021年起,SiC MOSFET将以略快的速度增长,成为最畅销的分立SiC功率器件。


专家预期,SiC MOSFET渗透IGBT的拐点可能在2024年附近。预计2025年全球渗透率25%,则全球有30亿美金SiC MOSFET器件市场,中国市场如果按照20%渗透率计算,2025年则有12亿美金的空间。即使不考虑SiC SBD和其他SiC功率器件,仅测算替代IGBT那部分的SiC MOS市场预计2025年全球30亿美金,相对2019年不到4亿美金有超过7倍成长,且2025-2030年增速延续。


当前,最基础的SiC晶圆被美、日、欧所垄断,美国占据了全球SiC晶圆70%以上的产量,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他SiC企业所占据。


驰骋在消费电子和射频的GaN


GaN通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。


小米在2020年发布的GaN快充充电器让GaN红出了圈外。三星、华为、OPPO、vivo等手机大厂也纷纷发布了自己的GaN快充充电器,使得GaN功率器件在海量消费市场中达到了一个里程碑。


在非常高的电压、温度和开关频率下,GaN与Si相比具有优越的性能,可显著提高能源效率。实际上,功率GaN器件于2018 年中后期在售后市场中出现,Anker等国外厂商已经开始提供24~65W充电器。


整个2020年,GaN快充产品的出货量达1000万个,2021年GaN快充的出货量将增长超过十倍、达到1.5~2亿个。


据Yole预测,受消费者快速充电器应用推动,到2024年GaN电源市场规模将超过3.5亿美元,CAGR为85%,有极大增长空间。此外,GaN还有望进入汽车及工业和电信电源应用中。


在射频领域,5G到来使得GaN在Sub 6GHz宏基站和毫米波(24GHz以上)小基站中发挥了重要作用。相关机构预测,整个GaN无线基础设施的市场规模将从2018年的3.04亿美元增长至2024年7.52亿美元,CAGR达16.3%。其中,GaN射频功率市场规模从2018 年的200万美元增长至2024年10,460万美元,CAGR达93.38%,具有很大的成长空间。这主要受电信基础设施和国防两个方向应用推动,卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定贡献。


GaN也在半导体照明行业发展迅速,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高,但由于散热较好,非常适合制造低能耗、大功率照明器件,成为制造Micro LED芯片的天然选择。根据Trendforce的调研数据,预计2024年全球Mini/Micro LED市场规模有望达到42亿美元,GaN的市场空间将无比巨大。


当前,GaN器件的生产主要掌握在国外厂商手中。GaN功率器件领域一直由EPC,GaN Systems,Transphorm和Navitas 等纯GaN初创公司主导,他们的产品主要是TSMC, Episil 或 X-FAB 代工生产。国内新兴代工厂中,三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。


GaN 射频器件则由住友电工(第一)、Cree(第二)占据,其中住友电工是华为GaN射频器件的第一大供应商。国产厂商在 GaN 射频领域相对弱势,但已有不少厂商布局。


投资与扩产热潮


第三代半导体的火热引发了一轮轮的投资热潮。根据第三代半导体产业技术创新战略联盟统计,2019年,针对第三代半导体产业投资金额共计265.8亿元,整体相比2018年投资金额上升54.53%,其中碳化硅为220.8亿元,氮化镓为45亿元。


到了2020年,这个数字大幅提升,按照集微网的不完全统计,整个2020年有超14个第三代半导体项目及相关产业园签约落地,总投资额超800亿元,涉及7个省份9个地区。其中,三安光电、露笑科技、康佳3个第三代半导体产业园分别在湖南长沙、安徽合肥、江西南昌签约落地,总投资额超560亿元。


经过多年的发展,国内在第三代半导体领域已经初步形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域。


具体来说,京津冀区域的SiC产业初具规模,应用资源集中,装备研发制造能力强。北京顺义已启动第三代半导体产业基地建设,济南打造宽禁带半导体产业小镇。长三角区域的半导体产业基础好,配套成熟,GaN链条比较完备。珠三角地区的半导体照明通用照明集中,消费及工业电子产业市场最大,东莞、珠海等地形成一批骨干龙头企业,深圳已启动第三代半导体研发院的国家级开放平台建设,坪山区为第三代半导体产业的优先发展区域。闽三角区域以厦门、福州为主,三安光电为龙头的光电产业比较强悍。


值得关注的是,超过百亿的超级项目在2020年频繁出现。4月8日,中鸿新晶第三代半导体产业集群项目签约落地,其投资总额为111亿元,项目一期产业投资8亿元,计划3年内完成第三代半导体产业集群初步建设,完成深紫外LED生产线20条,6-8英寸碳化硅单晶生产、加工、碳化硅外延生产线各2条,氮化镓中试线1条。


6月17日,三安光电发布公告称,公司拟在长沙成立子公司投资建设第三代半导体产业园项目,投资总额为160亿元。


11月11日,江西南昌经开区与康佳集团股份有限公司签约仪式在南昌举行,江西康佳半导体高科技产业园暨第三代化合物半导体项目落户南昌经开区,总投资300亿元。


11月28日,露笑科技第三代功率半导体(碳化硅)产业园项目开工。该项目规划总投资100亿元。


与新建项目相呼应的是,厂商们扩产的脚步也越来越快。


7月,华润微6吋SiC生产线目前已开始量产,这是国内首条实现商用量产的6吋碳化硅晶圆生产线,目前规划产能1000片/月,产品目标应用主要在太阳能逆变器、通讯电源、服务器、储能设备等领域。


9月,英诺赛科苏州第三代半导体基地举行设备搬入仪式。这意味着英诺赛科苏州第三代半导体基地开始由厂房建设阶段进入量产准备阶段,标志着全球最大氮化镓工厂正式建设完成。该项目建成后,满产可实现月产8英寸硅基氮化镓晶圆65000片。


来自产业的资本也对第三代半导体青睐有加,如2020年华为哈勃先后投资入股了国内三家化合物半导体企业,分别是北京天科合达,持股比例4.82%;宁波润华全芯微电子,投资数额约214.29万元,投资比例占6.31%;瀚天天成,认缴出资977.2万元。


政府在政策层面对第三代半导体的支持也在持续加码。多地出台的十四五规划建议稿中都提到了第三代半导体,如浙江明确提出“超前布局发展人工智能、生物工程、第三代半导体、类脑芯片、柔性电子、前沿新材料、量子信息等未来产业,加快建设未来产业先导区”; 辽宁则提出“超前布局未来产业,面向增材制造、柔性电子、第三代半导体、量子科技、储能材料等领域加快布局,打造一批领军企业和标志产品,形成新的产业梯队。”


在南京世界半导体大会暨第三代半导体产业发展高峰论坛上,国家新材料产业发展专家咨询委员会委员、第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲更是透露了国家2030计划和“十四五”国家研发计划都已经明确第三代半导体做为重要发展方向。


业内人士目前都一致看好国内第三代半导体产业的前景。我国在第三代半导体研发、产业领域具备了一定的基础,尽管与国际巨头仍有差距,但作为全球最大的半导体消费市场,在市场风口到来、产业火热加码布局等利好因素加持下,第三代半导体必将成为我国半导体产业提升的重要突破口。业内专家预测,到2030年,国内将形成1~3家世界级龙头企业,带动产值超过3万亿元。

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