稀有分散金属镓铟铊铼钍
面对窗口期,第三代半导体如何发力?



在日前于南京举办的世界半导体大会第三代半导体产业发展高峰论坛上,与会专家纷纷表示,近年来我国第三代半导体产业发展进程较快,基本形成了从晶体生长到器件研发制造的完整产业链。同时,我国在高速轨道交通、新能源汽车、5G应用等第三代半导体关键市场的增速位居全球前列,为第三代半导体带来巨大的发展空间和良好的市场前景,将催生上万亿元潜在市场。第三代半导体为何如此被看好,有哪些重点应用方向?我国第三代半导体企业该如何抓住发展机遇,提升生存和竞争能力?

未来半导体的重要方向

材料贯穿了半导体的整个生产流程,是半导体产业链的重要支撑。相比锗、硅等第一代半导体,砷化镓、磷化铟等第二代半导体,以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体具备耐高温、耐高压、抗辐射等特点,特别适合制造微波射频、光电子、电力电子等器件。

第三代半导体为何如此被看好?赛迪顾问新材料产业研究中心副总经理杨瑞琳指出,由于传统工艺和硅材料逼近物理极限,技术研发费用剧增,制造节点的更新难度越来越大,“摩尔定律”演进开始放缓。第三代半导体材料是“超越摩尔定律”的重要发展内容,也是未来半导体产业发展的重要方向。

现阶段,第三代半导体器件还难以在成本上与硅器件匹敌。但从长远来看,第三代半导体在成本控制上展现出更强的潜力。一方面,由于硅材料的开发逼近极限,降价空间所剩无几,而第三代半导体随着市场规模持续提升,成本仍有较大的下调空间。另一方面,第三代半导体有利于降低电力系统的整体成本和能源消耗。

“基于碳化硅高频、高效能、损耗小的特性,系统中的电感、电容、散热器体积可以做得更小。目前碳化硅应用还集中在高端应用市场,一旦到达‘甜蜜点’,也就是价格降到硅器件2.5倍左右,就能降低系统的整体成本,实现对功率器件市场的加速渗透。”基本半导体总经理和巍巍向《中国电子报》表示。

新基建带来广阔空间

从20世纪80年代起,第三代半导体材料催生了照明、显示、蓝光存储等光电领域的新需求和新产业。近十年来,第三代半导体材料应用的热点转向电子器件领域,在光伏逆变器、电动汽车驱动模块、UPS、电力变换、电机驱动等涉及电力、电器、电子和新能源的领域都有着重要的应用。

今年以来,小米、华为、OPPO、魅族等终端厂商接连推出氮化镓快充,迅速提升了第三代半导体在消费市场的用户认知度。使用氮化镓和碳化硅的电源产品具有变频效率高、抗高温、高能效、轻量化等特点。随着家电节能和能耗要求越来越严,使用第三代半导体作为电源或家电变频器将成为必然选择。

而新基建的提出,再次让第三代半导体站上风口。在新基建的范畴中,5G、特高压、轨道交通、新能源汽车四个领域与第三代半导体息息相关。

在5G基站领域,氮化镓是最具增长潜质的半导体材料之一,将加速渗透5G基站所需的射频功率放大器市场。研究机构Yole指出,5G商用宏基站以64通道的大规模阵列天线为主,单基站PA需求达到192个,预计2023年氮化镓射频器件市场规模将达到13.24亿美元。

对于碳化硅产业,新能源汽车是未来几年最重要的市场驱动力。《电动汽车充电基础设施发展指南(2015—2020年)》指出,到2020年,新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求。一方面,碳化硅器件可以实现更高的功率密度、更小的体积,满足充电桩体积小且支持多辆车快速充电的需求;另一方面,采用碳化硅MOSFET(金氧半场效晶体管)的新能源汽车逆变器,能从电池、车内空间占用、冷却系统等方面节约电动汽车的总体成本。

碳化硅高温、高频、低损耗的特性,也将在特高压和轨道交通领域发挥作用。目前碳化硅已经在中低压配电网启动应用,未来,更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电对万伏级以上的碳化硅功率器件存在大量需求。同时,将碳化硅应用于轨道交通牵引变流器,将推动牵引变流器装置的小型化、轻量化发展,减轻轨道交通的载重系统,推动轨道交通的绿色、智能化发展。

与国际先进水平仍存差距

第三代半导体的先天优势,吸引国内外半导体企业纷纷抢滩。科锐、罗姆、意法半导体、英飞凌、安森美、恩智浦、三菱电机等欧美日领先厂商通过扩充产能、投资并购等方式,在第三代半导体市场跑马圈地。

随着第三代半导体的战略意义被广泛认知,国内厂商加速布局,形成了包括衬底、外延、器件设计、流片、封装、系统在内的产业链条。但是在材料指标、器件性能等方面,国内厂商与国际先进水平仍存差距。

和巍巍表示,国内第三代半导体与国际巨头存在差距,原因是综合性的。一是起步略晚,在专利积累上有所滞后;二是海外公司在第三代半导体进行了20~30年的长期投入,在投资强度上具备优势;三是具备工程经验的人才相对稀缺。

“人才不像购买设备,需要相当长的培养周期。微电子等相关专业的硕士生,普遍缺乏流片等工程经验,进入企业之后需要进一步的培训,持续在实践中积累,才能从毕业生转变为有经验的工程师。所以,人才培养的时间成本还是比较高的。”和巍巍表示。

从产业链进程来看,国内第三代半导体在产业链的整合、完善程度上,仍有待优化。一方面,国际第三代半导体大厂多采用IDM模式,具备更强的产业链整合能力。芯谋研究首席分析师顾文军向《中国电子报》表示,科锐等第三代半导体巨头,实现了设计制造一体化,技术和工艺的整合程度较高,实现了具备差异化优势的产品和更高的良率。另一方面,国内第三代半导体在EDA、高质量检测设备等环节存在短板。和巍巍指出,国际EDA厂商往往和碳化硅厂商合作多年,积累了大量的数据,仿真程度更高,而国内EDA工具普遍缺乏第三代半导体的数据积累。

第三代半导体本身的产业特点,也增加了后发企业提升市场份额的难度。瀚天天成总经理冯淦曾向记者表示,碳化硅面向大功率电力电子器件,对可靠性和安全性有着极高的要求,认证周期较长。一旦终端企业更换供货商,将面临产品的重新认证,后发企业挑战龙头企业生态优势的难度较大。

抓住窗口期提升竞争力

第三代半导体是国家科技创新2030重大项目“重点新材料研发及应用”的重要部分,近年来取得快速发展,其技术价值和应用前景得到广泛认可。

第三代半导体产业技术创新战略联盟秘书长于坤山表示,推动第三代半导体进一步发展,一方面,要把握5G、新能源汽车、能源互联网、消费类电子、新型显示等市场契机,加速试点布局和产业化企业落地。另一方面,建议地方政府加强顶层布局,围绕国家项目进行产业链配套,夯实支撑产业链公共研发和服务等技术平台,加速完善产业生态环境。

面对第三代半导体的产业窗口期,企业该如何提升生存和竞争能力?和巍巍表示,作为企业,一是要追赶国外最先进水平,对标最先进的器件。二是完善老、中、青人才梯队的培养。三是通过股权激励,以及参与、推动产学研联合培养人才的模式,提升人才待遇,更好地留住人才。

泰科天润董事长陈彤曾向记者表示,后发企业要成长,必须抓住新旧技术迭代的窗口期。碳化硅是一个新的产业机会,给了中国功率半导体企业参与国际竞争的契机。企业要利用贴近中国市场的优势,以更快的反应速度,抓住市场机遇。

对于提升国内第三代半导体企业的风险抵御能力,和巍巍指出,碳化硅等三代半导体采用升华再结晶的方式生长,相比拉单晶的硅材料,更容易出现缺陷,造成器件失效,这是国内外厂商普遍面临的难题。加上国内企业与国际厂商在技术水平和营收能力上仍存差距,一旦器件出现故障,可能会因为高额的赔付蒙受巨大损失。如果能针对国内半导体器件推出试用保险,将为企业的研发创新注入更多信心。

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