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A股爆炒的第三代半导体材料,为何成为国家战略?

发布日期:2020-09-16 浏览次数:193

日前,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透露:国家2030计划和“十四五”国家研发计划都已经明确,第三代半导体是重要发展方向。 国家计划在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面,大力支持发展第三代半导体行业,以期实现产业独立自主。 资本市场也闻风而动,第三代半导体概念股成为A股市场的关注热点。

半导体产业发展至今经历了三个阶段,第一代半导体材料以硅(Si)为代表,第二代半导体材料砷化镓(GaAs)也已经广泛应用。 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、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力,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2.2eV),亦被称为高温半导体材料。 从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段,较为成熟的则是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)半导体材料,两者因此并称为第三代半导体材料的双雄。

作为一类新型宽禁带半导体材料,第三代半导体材料被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”,是光电子和微电子等产业的“新发动机”。 从应用范围来说,第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点,在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。 中上游企业火热加速布局,最大的驱动力无疑来源于下游终端应用的市场需求。随着碳化硅、氮化镓衬底、外延片质量持续提升,上游材料产能不断扩张,碳化硅、氮化镓器件与传统器件价差持续缩小、性能日益稳定及提高,进一步获得下游认可。

手机快充:氮化镓居功至伟

如氮化镓电力电子器件正在火热应用于消费电子快充市场。 今年2月,小米新品发布会上推出明星产品65W GaN充电器,引爆市场对GaN的关注;4月,华为在其P40系列国行版线上发布会上亦推出了GaN双口超级快充充电器;而去年10月,OPPO Reno Ace就正式发布,亦标配65W超级闪充GaN充电器...... 智能手机厂商相继推出氮化镓快充,众多配件厂商亦然。Anker早于2018年10月便已发布GaN充电器,随后,Baseus、RAVPower、UIBI、ZMI等厂商均发布了氮化镓快充产品。在CES2020上,包括Anker在内的30家厂商推出了66款氮化镓快充产品,可见氮化镓快充产品在消费电子终端市场之火热。

在消费电子领域迅速起量的同时,氮化镓电子电力器件在5G通信、新能源汽车的等领域亦加速渗透,尤其在国家提出“新基建”号召之后,氮化镓市场应用得到进一步扩大。

5G时代到来,5G基站和通信设备对射频微波器件如PA(功率放大器)等提出了更高要求,而氮化镓功率放大器件尤其适用于大功率通信基站、雷达等系统,5G通讯基站采用氮化镓射频器件已成为业界共识。 有市场调研机构认为,氮化镓材料将逐步替代Si LDMOS,大幅运用于PA,而5G通信将为氮化镓器件带来非常明显的需求增长。2019年,全球GaN射频器件市场规模达到5.27亿美元,预计2023年将达到13.24亿美元。 此外,国防军事与航天等领域需求也将持续推动氮化镓射频市场规模不断扩大。

新能源汽车:碳化硅抢滩加速

碳化硅方面,新能源汽车和充电桩市场是碳化硅功率器件市场增长的重要动力。 近年来,新能源汽车迅速崛起,特斯拉Model3的逆变器率先采用了意法半导体的碳化硅功率模块,众多整车厂商快速跟进,开始大量推进碳化硅解决方案在新能源汽车领域的应用。据了解,国际上已有超过20家汽车厂商在车载充电机中使用碳化硅器件,国内厂商如比亚迪等亦纷纷加码。

充电桩是新能源汽车发展的必备设施,而在其成本构成中占比达60%的充电机、变压器等核心部件需大量使用功率半导体。相比传统的硅器件,碳化硅功率器件在充电桩领域应用可以提升电源系统开关频率和效率等。大批相关企业正在加速碳化硅功率器件在充电桩市场的应用。 今年,国家提出加速发展“新基建”。新基建所覆盖的5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能和工业互联网等领域均将为氮化镓、碳化硅等第三代半导体带来巨大市场需求。

目前,第三大半导体材料市场呈现出美日欧玩家领先的格局。 以碳化硅为例,美国全球独大,占据全球碳化硅产量的70~80%;欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延片、器件以及应用产业链,日本则是设备和模块开发方面的领先者。相比之下,中国的第三代半导体产业稍显贫弱,在技术领先度、市场份额占比等方面较落后。 尽管如此,第三代半导体材料仍有望成为我国半导体产业链国产化的重要抓手。

第一,细究美日欧第三代半导体产业领先的原因,离不开美日欧政府的政策推动,这些国家更早地意识到了第三代半导体材料在通信、军工、航空航天等领域的战略意义,并较早地开始了有针对性的布局。 近些年来,中国的对半导体产业链的重视亦已凸显,不论是新基建对5G、集成电路的重视,还是两期国家大基金的成立,都为芯片产业提供了土壤,也将惠及半导体材料的创新。 其次,尽管我国在第三代半导体材料的布局方面稍显落后,但并未遭遇“卡脖子”的情况。以国内外碳化硅晶圆制造技术做对比,2018年,我国领先的碳化硅材料玩家天科合达实现了6英寸碳化硅晶片的量产;2019年10月,美国领先的碳化硅玩家Cree已经完成了8英寸碳化硅晶圆样品的制备。相比之下,二者在技术代际上的差别并不悬殊。 另外,我国第三代半导体器件市场有着巨大的增长空间,或能成为倒逼上游材料发展的一大动力。据市场研究机构赛迪顾问统计,2019年我国第三代半导体器件市场规模达到86.29亿元,增长率为99.7%,到2022年,其市场规模有望冲破608.21亿元,年均增长率为78.4%。 目前,我国已经形成完备的碳化硅材料、氮化镓材料产业链。 碳化硅产业链方面,国产衬底玩家有山东天岳、北京天科合达等;外延片玩家有瀚天天成、天域半导体等;器件制造领域,则有泰科天润半导体、厦门芯光润泽等。氮化镓材料产业链方面,衬底材料玩家有苏州纳维、东莞中镓等;外延片玩家有晶湛半导体、江苏能华等;器件制造领域有安普隆半导体、海思等。

尽管与国际巨头仍有差距,但中国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,第三代半导体产业正在加速进击前行。随着相关企业持续扩增产能、降低生产成本、提高产品可靠性,国产第三代半导体器件在下游应用市场的渗透率将日渐提升,进一步推动国产替代进程。