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第三代半导体材料产业化的机遇和挑战

2019-11-08 09:13:46 来源:智慧产品圈 作者:韩继国
资讯频道文章B

[摘要] 从第三代半导体材料的技术趋势来看,大尺寸和高质量SiC生长技术是未来发展的趋势,同质外延依然是GaN器件的技术改进方向,所以高质量GaN衬底的研发还将继续

  前言:目前我国第三代半导体材料市场仍以日美欧厂商为主角,但近几年我国已经开始大力扶持第三代半导体产业。2016年国务院出台了《“十三五”国家科技创新规划》,明确提出以第三代半导体材料为核心,以抢占先进电子材料技术的制高点。

  第三代半导体材料发展情况

  第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。

  与第一、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、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.3eV),亦被称为高温半导体材料。

  从目前第三代半导体材料及器件的研究来看,较为成熟的第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓,而氧化锌、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),被行业称为第三代半导体材料的双雄。

  由于第三代半导体材料及其制作的器件的优越性、实用性和战略性,许多发达国家将第三代半导体材料列入国家计划,全面部署,竭力抢占战略制高点。目前美欧日具备较为成熟的GaN半导体材料产业体系。

  ▼ 三代半导体材料性能对比

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  (来源:十一科技)

567彩票  国外20世纪80年代开始对GaN半导体材料进行研究,并已经形成了比较完善的产业体系,而我国第三代半导体研究起步较晚,目前尚处于初步的产业格局阶段。

  我国第三代半导体材料产业化情况

  目前,我国第三代半导体产业发展初步形成了京津冀、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域。从2015年下半年至2018年底,从已披露的第三代半导体项目投资总额来看,五大地区的投资额占比分别为长三角区域63%、中西部区域14%、京津冀6%、闽三角5%、珠三角区域2%。

  长三角地区第三代半导体产业集聚能力凸显,投资总额607亿元,其中,2018年投资总额超过550亿元(其中积塔半导体的359亿元投资以SiC电力电子器件产线为主)。北京、深圳、厦门、泉州、苏州等代表性城市在2018年深入部署、多样并举,有序推动第三代半导体产业发展。

  目前国内第三代半导体材料产业从数量上来看已具备一定规模,初步形成了一个较为完整的产业链。国内第三代半导体材料的主要厂商及产业链格局情况如下:

  ●  衬底供应商~SiC衬底:山东天岳、河北同光、天科合达、江西晶能等;GaN衬底:苏州纳维、东莞中镓等;

567彩票  ● 外延供应商~中蕊光电、镓芯河北、英诺赛科、江苏华功、大连芯冠、江苏能华、苏州晶港、苏州能讯、中电55所、中电13所、海威华芯等;

  ● 器件、模组供应商~电力电子器件:江苏能华、江苏华功、英诺赛科、大连芯冠、中电55所;微波射频器件:中电55所、中电13所、苏州能讯、中芯光电;UV探测器:中芯光电、镓芯光电;LED照明:华灿光电、深圳兆驰、聚灿光电、三安光电等;产业代工:台积电、稳惠、三安光电、海威华芯、方正微电子等。

  我国第三代半导体材料市场及应用

  2018年,在国内市场和国际市场双双推动下,国内第三代半导体产业继续发力向前推进。据第三代半导体产业联盟统计,2018年我国第三代半导体整体产值约为7423亿元(包括半导体照明),较2017年同比增长近13%。其中电力电子产值规模近12.3亿元,较上年增长23%以上;微波射频产值规模36.7亿元,较上年增长了20%;光电(主要为半导体照明)产值规模为7374亿元,较上年增长近13%。

  GaN射频器件已成功应用于众多领域,以无线基础设施和国防应用为主,还包括卫星通信、民用雷达和航空电子等领域。据Yole统计,2018年全球3W以上GaN射频器件(不含手机PA)市场规模达到4.57亿美元,在射频器件市场(包括Si LDMOS、GaAs和GaN)的渗透率超过25%。预计到2023年市场规模将达到13.24亿美元,年复合增长率超过23%。

  国防是GaN射频器件最主要的应用领域。由于对高性能的需求和对价格的不敏感,国防市场为GaN射频器件提供了广阔的发展空间。据Yole统计,2018年国防领域GaN射频器件市场规模为2.01亿美元,占GaN射频器件市场的份额达到44%,超过基站成为最大的应用市场。GaN射频器件在国防领域的市场规模将随着渗透率的提高而继续增长,预计到2023年,市场规模将达到4.54亿美元,2018-2023年均复合增速为18%。

  ▼ 第三代半导体材料用途

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  (来源:十一科技)

  基站是GaN射频器件第二大应用市场。据据Yole统计,2018年基站领域GaN射频器件市场规模为1.5亿美元,占GaN射频器件市场33%的份额。随着5G通信的实施,2019-2020年市场规模会出现明显的增长。预计到2023年,基站领域GaN射频器件的市场规模将达到5.21亿美元,2018-2023年均复合增长率达到28%。

  2019中国5G建设高速发展,基站端GaN放大器同比增长达71。4%;到2020年,基站端GaN放大器市场规模达32。7亿元,同比增长340。8%;预计到2023年基站端GaN放大器市场规模达121。7亿元。

  据拓璞分析,GaN放大器需求数量2019-2013年保持快速增长,2023年达18117万个。按照4寸GaN晶圆切400个计算,则需要GaN晶圆数量达45万片。

  ▼ 中国5G基站GaN晶圆需求预测

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  (来源:拓璞)

  第三代半导体材料产业化的挑战

  据CASA不完全统计,2018年国内第三代半导体领域新增3条6英寸SiC产线(株洲中车时代、三安集成和国家电网能源互联网研究院(中试线)的6寸线)。除上述3条线外,国内泰科天润和中电55所已有SiC产线,至此国内目前至少已有5条SiC产线(包括中试线)。

  2018年国内第三代半导体投资扩产热度不减。据CASA不完全统计,目前国内第三代半导体相关领域共有8起大的投资扩产项目,总投资额至少达到639亿元。其中有4项与氮化镓(GaN)材料有关,包括外延片及芯片、电力电子及射频器件等,投资扩产项目总额为220亿元(与2017年的19亿元相比,增加了近11倍);碳化硅(SiC)材料相关的衬底、外延及芯片、封装测试、电力电子器件等项目的投资扩产总共4项,已披露的总额约为60亿元(与2017年的65亿元基本持平)。其他以先进半导体集成电路为名义的投资1起,投资金额近359亿元,其中涉及建设一条SiC电力电子器件生产线。(十一科技三代半导体发展中心整理数据)

  整体而言,我国在第三代半导体(电力电子和射频领域)初步形成了从衬底到模组初步的产业链体系。

  第三代半导体材料产业化的挑战是材料品质。SiC同质外延和Si基GaN异质外延方面,作为应用最广泛的两种第三代半导体材料,目前商业化的最大尺寸为6英寸,为进一步降低器件成本,业界已经研发出8英寸产品。其中,8英寸Si基GaN外延片的研发尤为活跃,2017年以来,业内企业已经成功研发出8英寸Si基GaN外延片,并在8英寸晶圆上成功开发出GaN电力电子器件。

  ▼ 2018年8英寸Si基GaN外延片及器件研发进展

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  (来源:CASA整理)

  结语

  从第三代半导体材料的技术趋势来看,大尺寸和高质量SiC生长技术是未来发展的趋势,同质外延依然是GaN器件的技术改进方向,所以高质量GaN衬底的研发还将继续

  从价格及成本趋势来看,未来6英寸SiC衬底预计将降至5000元/片以下,GaN衬底价格有望降至500美元/片左右,并且随着衬底和外延片尺寸的增加和生产规模的扩大,衬底和外延片的成本将有所下降

  目前全球70-80%的第三代半导体材料SiC产量来自美国。在中美贸易摩擦持续发酵背景下,第三代半导体材料国产化替代进程有望持续加速,第三代半导体材料应用前景光明。


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[责任编辑:曾凌霄]

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