全力發展第三代半導體 解決卡脖子難關

最近,第3代半導體成為高科技領域最熱門的話題,無論歐洲、美國、韓國及中國也想在這個機會裡分一杯羹。現在所稱第三代半導體,是指氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)及金剛石等材料。今年第三代半導體的市場還在起步階段,應用場面如半導體照明、5G通信、衛星通信、光通信、電力電子、航空航太等領域。第三代半導體材料已被認為是當今電子產業發展的新動力,中國的發展如何呢?

十四五全力支持第三代半導體的產業

19屆五中全會提出「十四五規劃」,也就是2021-2025年的5年發展計劃,將投資萬億人民幣發展包括無線網路、人工智慧等技術領域,其中因應美方制裁,大陸將全力支持包含第三代半導體在內的半導體產業。

何為第三代半導體?
第三代半導體是以碳化硅、氮化鎵為主的寬禁帶半導體材料,具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點。

近期,上海臨港新片區發佈積體電路產業專項規劃提出到2025年,推進重大專案落地建設,基本形成新片區積體電路綜合性產業創新基地的基礎框架。到時產業規模突破1000億元,晶片製造、裝備材料主導地位進一步加強,晶片設計、封裝測試形成規模化集聚,打造成具有全球影響力的芯港。

碳化硅

規劃提出推進6英寸、8英寸GaAs、GaN和SiC工藝線建設,面向5G、新能源汽車等應用場景,加快化合物半導體產品驗證應用。

半導體材料也分別?

第一代半導體材料, 發明並實用於20世紀50年代,以硅(Si)、鍺(Ge)為代表,特別是Si,構成了一切邏輯器件的基礎。我們的CPU、GPU的算力,都離不開Si的功勞。

第二代半導體材料, 發明並實用於20世紀80年代,主要是指化合物半導體材料,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表。其中GaAs在射頻功放器件中扮演重要角色,InP在光通信器件中應用廣泛。

而第三代半導體,發明並實用於本世紀初年,湧現出了碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等具有寬禁帶(Eg>2.3eV)特性的新興半導體材料,因此也被成為寬禁帶半導體材料。

半導體材料表,用途及特點

半導體材料應用有什麼分別?
第一代半導體材料 主要用於分立器件和晶片製造。

第二代半導體材料 主要用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件,也是製作高性能微波、毫米波器件的優良材料,廣泛應用在微波通信、光通信、衛星通信、光電器件、雷射器和衛星導航等領域。

第三代半導體材料 廣泛用於製作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件,應用於半導體照明、5G通信、衛星通信、光通信、電力電子、航空航太等領域。第三代半導體材料已被認為是當今電子產業發展的新動力。

碳化硅及氮化鎵的用途及分別?

第三代半導體則以碳化硅以及氮化鎵為代表,由於耐高溫及耐高壓上,比起以往半導體物料在尺寸及功效上都更優越,所以更適合在現時5G的高頻通訊以及電動車充電產品。

碳化硅及氮化鎵的分別?
低功率的電源晶片是使用第一代半導體硅(Si)的MOSFET來製作,結構與製程簡單,如果要提高功率必須改用硅(Si)的IGBT來製作,結構與製程複雜。第三代半導體中,一般上使用碳化硅是為了高功率,使用氮化鎵是為了高頻率。

如果希望高功率又體積小則必須換材料,改用第三代半導體碳化硅的MOSFET來製作。

如果希望高頻率又體積小則必須換材料,改用第三代半導體氮化鎵的MOSFET來製作,提高主動元件(MOSFET)的頻率可以縮小被動元件(電容、電感)的體積。

碳化硅成本較高,主要用在光伏逆變器和電動車逆變器。特斯拉的Model 3 中的逆變器就經已使用碳化硅的相關技術,其耐熱特性,令到逆變器可以隨意放在汽車任何位置上。在電動車充電設備電壓高於600-650V大多都需要採用碳化硅。

汽車晶片及充電都用到第三代半導體

氮化鎵應用在5G上越來越多,全球每年新建約150萬座基站,未來5G網路還將補充覆蓋區域更小、分佈更加密集的微基站,對氮化鎵器件的需求量將大幅增加。氮化鎵的成本比碳化硅低,在消費電子快充、雷達和航空電子應用中份額正在擴大。

中國第三代半導體的發展

在國家政策的大力支持下,國內第三代半導體產線陸續開通,產能不斷增加。據CASA初步統計,2019年,我國碳化硅及氮化鎵電力子和微波射頻產值超過60億元。2019年我國碳化硅、氮化鎵電力子產值規模達26億元,同比增長84%。

第三代半導體主要用途之一

國內企業在襯底外延和設計製造領域都逐漸開始涉足,如氮化鎵襯底製造廠蘇州納維、東莞中鎵;氮化鎵外延製備商蘇州晶湛;GaN-on-Si製造企業英諾賽科、賽微電子(300456.SZ);氮化鎵晶圓代工企業海特高新(002023.SZ);GaNIDM(垂直整合製造工廠)三安光電(600703.SH)、聞泰科技(600745.SH)等。

長沙三安光電第三代半導體專案總投資160億元,主要建設具有自主知識產權的襯底(碳化硅)、外延、晶片及封裝產業生產基地。專案建成達產後將形成超百億元的產業規模,並帶動上下遊配套產業產值預計逾千億元。

2020年,深圳市同力實業山半導體產業園專案預計投資50億元,園區將集聚第三代半導體上下遊產業鏈,形成集聚發展態勢。坪山積體電路及第三代半導體產業集聚已經漸成規模,集聚了中芯國際、比亞迪、昂納科技等重點企業。

新能源汽車方面,隨著下遊特斯拉開始大量推進碳化硅解決方案,國內的廠商也快速跟進,以比亞迪(1211)為代表的整車廠商開始全方位佈局,推動第三半導體器件在汽車領域的發展。整體而言,中國第三代半導體起步比較晚,但是發展速度很快的。

克裡科技(CREE)遙遙領先

第三代半導體比的是材料製作,這是基礎工業,因此政府應該重視基礎工業:材料、機械、光學、化學等,才能提升產業競爭力,面對未來的挑戰。

克裡科技

這方面美國一直領先,在碳化硅材料上克裡科技更遙遙領先。新一代的碳化硅材料中市場份額高達6成。克裡科技還計劃在2024年產能提升30倍,而且再投資10億美元在氮化鎵業務。

拜登更為半導體公司提供稅務優惠,希望高端晶片製造業回流美國,克裡科技也會受惠的。雖然克裡還沒達到收支平衡,但是有美國政府支持,業務發展速度還可能更快。

除了克裡科技外,主要的市場份額被德國英飛淩(Infineon)、日本羅姆以及意法半導體(STM)佔據。

結語

今年可以說第三代半導體的元年,以碳化硅為代表開始逐漸受到市場的重視,國際上已形成完整的覆蓋材料,器件,模組和應用等環節的產業鏈,全球新一輪的產業升級已經開始。目前全球主流車廠電動車規格已經往800V快充發展,即是碳化硅將成主流。中國近年積極投資第三代半導體,雖然起步較晚,但是追趕速度很快。中國的電動車、5G市場及光伏市場發展迅速,也為第三代半導體公司提供足夠的發展空間,有望成為國產半導體替代希望。

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