賽迪顧問股份有限公司第三代 半導(dǎo)體新材料產(chǎn)業(yè)研究中心

由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體制程工藝已近物理極限，技術(shù)研發(fā)費(fèi)用劇增，制造節(jié)點(diǎn)的更新難度越來(lái)越大，“摩爾定律”演進(jìn)開始放緩，半導(dǎo)體業(yè)界紛紛在新型材料和器件上尋求突破。以新原理、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝為特征的“超越摩爾定律”為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)新機(jī)遇。第三代半導(dǎo)體是“超越摩爾定律”的重要發(fā)展內(nèi)容。與Si材料相比，第三代半導(dǎo)體材料擁有高頻、高功率、抗高溫、抗高輻射、光電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，特別適合于制造微波射頻器件、光電子器件、電力電子器件，是未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

第三代半導(dǎo)體在新基建中廣泛應(yīng)用

以第三代半導(dǎo)體為基礎(chǔ)制備的電子器件，是支撐新基建中5G基建、新能源汽車充電樁、特高壓及軌道交通四大領(lǐng)域的關(guān)鍵核心。

世界多國(guó)均在積極發(fā)展建設(shè)5G。然而，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、5G智能手機(jī)使用、5G基站建設(shè)等方面還處于初步建設(shè)階段，存在較大的發(fā)展空間。賽迪顧問統(tǒng)計(jì)，截至2020年3月底，全球123個(gè)國(guó)家的381個(gè)運(yùn)營(yíng)商宣布過(guò)它們正在投資建設(shè)5G;40個(gè)國(guó)家的70個(gè)運(yùn)營(yíng)商提供了一項(xiàng)或多項(xiàng)符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G服務(wù);63個(gè)運(yùn)營(yíng)商發(fā)布了符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G移動(dòng)服務(wù);34個(gè)運(yùn)營(yíng)商發(fā)布了符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G固定無(wú)線接人或家用寬帶服務(wù)。賽迪顧問統(tǒng)計(jì)，截至2020年2月初，中國(guó)已開通了15.6萬(wàn)個(gè)5G基站，計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)55萬(wàn)個(gè)5G基站的建設(shè)目標(biāo)。截至2019年底，韓國(guó)計(jì)劃在其85個(gè)城市建設(shè)23萬(wàn)個(gè)5G基站;美國(guó)計(jì)劃建設(shè)60萬(wàn)個(gè)5G基站;德國(guó)計(jì)劃建設(shè)4萬(wàn)個(gè)以上5G基站。GaN材料具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、飽和電子速率大、熱導(dǎo)率高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為耐高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。在通信基站應(yīng)用領(lǐng)域，GaN是未來(lái)最具增長(zhǎng)潛質(zhì)的第三代半導(dǎo)體材料之一。與GaAs和InP等高頻工藝相比，GaN器件輸出的功率更大;與LDCMOS和SiC等功率工藝相比，GaN的頻率特性更好，GaN射頻器件已成為5G時(shí)代較大基站功率放大器的候選技術(shù)。

為滿足新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，自2011年起，新能源汽車充電樁就一直處在快速建設(shè)的階段。新能源汽車充電樁以公共充電樁為主，目前數(shù)量最多的經(jīng)濟(jì)體分別是中國(guó)、歐盟和美國(guó)。截至2019年底，美國(guó)和歐盟分別約有7.5萬(wàn)個(gè)和16.9萬(wàn)個(gè)公共充電樁。我國(guó)《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015一2020年）》規(guī)劃，到2020年我國(guó)分散式充電樁的目標(biāo)是超過(guò)480萬(wàn)個(gè)，以滿足全國(guó)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車充電需求，車樁比近1：1。充電模塊是充電樁的核心部件，其成本占設(shè)備總成本的50%。充電模塊可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為可充電的直流電。此外，充電模塊不僅能夠提供能源電力，還可以對(duì)電路進(jìn)行控制、轉(zhuǎn)換，保證供電電路的穩(wěn)定性。隨著我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，充電樁市場(chǎng)發(fā)展前景也越來(lái)越廣闊。siC功率器件可以實(shí)現(xiàn)比Si基功率器件更高的開關(guān)頻率，具備高功率密度、超小體積的特性。在體積小同時(shí)還能支持快速充電的要求下，幾臺(tái)車一起快速充電需要達(dá)到幾百千瓦的功率，一個(gè)電動(dòng)汽車充電站更是要達(dá)到百萬(wàn)瓦的功率，相當(dāng)于一個(gè)小區(qū)用電的功率規(guī)模。傳統(tǒng)的Si基功率器件體積較大，但SiC模塊則可以實(shí)現(xiàn)以很小的體積滿足功率上的“嚴(yán)苛”要求。因此SiC功率器件在充電模塊中的滲透率不斷增大。

中國(guó)由于國(guó)土面積較大、電力需求較強(qiáng)，因此中國(guó)積極發(fā)展特高壓建設(shè)，且逐漸出口全球。相較于傳統(tǒng)高壓輸電，特高壓輸電技術(shù)的輸電容量將提升2倍以上，可將電力送達(dá)超過(guò)2500千米的輸送距離，輸電損耗可降低約60%，單位容量造價(jià)降低約28%，單位線路走廊寬度輸送容量增加30%。由于功率半導(dǎo)體是電力電子的核心器件，因此作為功率半導(dǎo)體材料的SiC在直流特高壓供應(yīng)鏈中也有很多應(yīng)用機(jī).會(huì)。SiC器件可以顯著簡(jiǎn)化固態(tài)變壓器的電路結(jié)構(gòu)，減小散熱器空間，并通過(guò)提升開關(guān)頻率來(lái)提高單位功率密度。SiC器件可以替代LCC中使用的Si基晶閘管，SiCMOS可以替代VSC中使用的IGBT。目前，SiC器件已在中低壓配電網(wǎng)啟動(dòng)應(yīng)用。未來(lái)，更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電也將對(duì)萬(wàn)伏級(jí)以上的SiC功率器件有大量需求。

牽引變流器作為機(jī)車大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心裝置，為牽引系統(tǒng)提供動(dòng)力，具有負(fù)載特性特殊、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜和負(fù)載變化大等特點(diǎn)。由于全球城際高速鐵路和城市軌道交通處于持續(xù)擴(kuò)張的發(fā)展階段，推動(dòng)了軌道交通的綠色、智能化發(fā)展，也對(duì)牽引變流器及牽引電機(jī)的小型化、輕量化提出更高要求。將SiC器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，能極大程度地發(fā)揮SiC器件耐高溫、高頻和低損耗的特點(diǎn)，提高牽引變流裝置的效率，有利于推動(dòng)牽引變流器裝置的小型化和輕量化發(fā)展，有助于減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。

2022年器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到608.21億元

在5G、新能源汽車、綠色照明、快充等新興領(lǐng)域蓬勃發(fā)展及國(guó)家政策大力扶持的驅(qū)動(dòng)下，2019年，我國(guó)第三代半導(dǎo)體襯底材料市場(chǎng)繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到7.86億元，同比增長(zhǎng)31.7%。預(yù)計(jì)未來(lái)三年中國(guó)第三代半導(dǎo)體襯底材料市場(chǎng)規(guī)模仍將保持20%以上的平均增長(zhǎng)速度。2019年，我國(guó)第三代半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到86.29億元，增長(zhǎng)率達(dá)到99.7%。至2022年，第三代半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到608.21億元，增長(zhǎng)率達(dá)到78.4%。

未來(lái)三年，siC材料將成為IG-BT和MOSFET等大功率高頻功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料，被廣泛用于交流電機(jī)、變頻器、照明電路、牽引傳動(dòng)領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2022年SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到9.54億元。未來(lái)隨著5G商用的擴(kuò)大，現(xiàn)行廠商將進(jìn)一步由原先的4G設(shè)備更新至5G。5G基地臺(tái)的布建密度更甚4G，而基地臺(tái)內(nèi)部使用的材料為GaN材料，預(yù)計(jì)到2022年GaN襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.67億元。

GaN以及SiC器件由于技術(shù)還不成熟，成本較高，分別只占據(jù)了8.7%和4.5%的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SiC、GaN電力電子器件價(jià)格只有下降到Si產(chǎn)品價(jià)格的1/2到1/3倍，才能被市場(chǎng)廣泛接受，下游市場(chǎng)滲透率才能大幅提升。隨著工藝水平的逐步成熟以及產(chǎn)線良率的不斷提升，第三代半導(dǎo)體器件后續(xù)仍有較大降價(jià)空間，未來(lái)GaN射頻器件市場(chǎng)份額將持續(xù)增大。

目前，我國(guó)對(duì)于第三代半導(dǎo)體材料的投資熱情勢(shì)頭不減。賽迪顧問整理統(tǒng)計(jì)，2019年共17個(gè)增產(chǎn)（含新建和擴(kuò)產(chǎn)）項(xiàng)目（2018年6個(gè)），已披露的投資擴(kuò)產(chǎn)金額達(dá)到265.8億元（不含光電），較2018年同比增長(zhǎng)60%。其中2019年SiC領(lǐng)域投資事件14起，涉及金額220.8億元。GaN領(lǐng)域投資事件3起，涉及金額45億元。在新基建的引領(lǐng)下，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將成為未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要引擎。

國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)應(yīng)向IDM模式轉(zhuǎn)型

國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)應(yīng)當(dāng)把握“新基建”帶來(lái)的新機(jī)遇。我國(guó)第三代半導(dǎo)體處于成長(zhǎng)期，仍需要大規(guī)模資金投人、政策扶持，加大GaN、SiC的大尺寸單晶襯底的研發(fā)。此外，大尺寸單晶襯底的量產(chǎn)有助于降低器件成本、提高化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)滲透率。各地政府為了推動(dòng)我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，成立了一批創(chuàng)新中心，以應(yīng)用為牽引，以產(chǎn)業(yè)化需求為導(dǎo)向，加大科技創(chuàng)新，加強(qiáng)科技成果轉(zhuǎn)化，抓住產(chǎn)業(yè)技術(shù)核心環(huán)節(jié)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。例如，目前疫情防控工作仍然“任重道遠(yuǎn)”，可用于殺菌消毒的AlGaN紫外LED引發(fā)關(guān)注，加大研發(fā)投入和政策資金扶持，將有助于AlGaN紫外LED導(dǎo)人市場(chǎng)。

在投資方面，一方面國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)向IDM模式轉(zhuǎn)型。第三代半導(dǎo)體材料的性能與材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝之間關(guān)聯(lián)緊密，且制造產(chǎn)線投資額相對(duì)較低，因此國(guó)外多數(shù)企業(yè)為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，多采用IDM模式。隨著襯底和器件制造技術(shù)的成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，以及器件設(shè)計(jì)價(jià)值的提升，器件設(shè)計(jì)與制造分工的趨勢(shì)日益明顯。因此，國(guó)內(nèi)企業(yè)為了確保企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)向IDM模式發(fā)展。

另一方面應(yīng)夯實(shí)支撐產(chǎn)業(yè)鏈的公共研發(fā)與服務(wù)等基礎(chǔ)平臺(tái)。建設(shè)戰(zhàn)略定位高端、組織運(yùn)行開放、創(chuàng)新資源集聚的專業(yè)化國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新中心。支持體制機(jī)制創(chuàng)新、開放、國(guó)際化的、可持續(xù)發(fā)展的公共研發(fā)和服務(wù)平臺(tái)。突破產(chǎn)業(yè)化共性關(guān)鍵技術(shù)，解決創(chuàng)新資源薄弱、創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化難等問題。搭建國(guó)家級(jí)測(cè)試驗(yàn)證和生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺(tái)，降低企業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用門檻。完善材料測(cè)試評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)以應(yīng)用為目標(biāo)的基礎(chǔ)材料、設(shè)計(jì)、工藝、裝備、封測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)等國(guó)家體系化能力建設(shè)。