目前,國家2030計(jì)劃和“十四五”國家研發(fā)計(jì)劃已明確第三代半導(dǎo)體是重要發(fā)展方向。在上周五(10月16日),國星光電舉辦了2020第一屆國星之光論壇,而論壇的主角之一,就是第三代半導(dǎo)體。那么到底什么是第三代半導(dǎo)體呢?為什么說第三代半導(dǎo)體有望成為國產(chǎn)替代希望?
第三代半導(dǎo)體也被稱為寬帶隙半導(dǎo)體,主要是以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬帶隙半導(dǎo)體材料,其帶隙寬度大于2.2eV,是5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)“新基建”產(chǎn)業(yè)的重要材料,同時(shí)也是世界各國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
與以硅(Si)材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料,和以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料相比,以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料具備「五高」特性:高光效、高功率、高電壓、高頻率、高工作溫度。
Si作為集成電路最基礎(chǔ)的材料,構(gòu)筑了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的最底層支撐。人類對Si性能的探索已經(jīng)非常成熟,然而一些固有的缺點(diǎn)卻無法逾越,如光學(xué)性能、高壓高頻性能等。與此同時(shí)第三代半導(dǎo)體以其恰好彌補(bǔ)Si的不足而逐步受到半導(dǎo)體行業(yè)青睞,成為繼Si之后最有前景的半導(dǎo)體材料。
第三代半導(dǎo)體材料主要可應(yīng)用于光電、電力電子、和微波射頻三大領(lǐng)域。從當(dāng)前來看,碳化硅目前主要是用在650V以上的高壓功率器件領(lǐng)域,而氮化鎵主要是用在650V以下的中低壓功率器件領(lǐng)域及微波射頻和光電領(lǐng)域。不過未來,氮化鎵也有機(jī)會(huì)進(jìn)一步往600~900V發(fā)展。
具體而言
光電方向是截至目前應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域,已被驗(yàn)證是一場成功的技術(shù)革命。LED從無到有,快速發(fā)展,直至現(xiàn)在發(fā)展為千億美元的規(guī)模,是一個(gè)新材料開發(fā)推動(dòng)社會(huì)變革的典范。目前應(yīng)用于包括顯示、背光、照明等領(lǐng)域,其中Micro LED與UVC LED因仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn),且具備新的市場想象空間,被產(chǎn)業(yè)寄予厚望。
功率器件方向廣泛用于智能電網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發(fā)、工業(yè)電機(jī)、數(shù)據(jù)中心、家用電器、移動(dòng)電子設(shè)備等國家經(jīng)濟(jì)與國民生活的方方面面,是工業(yè)體系中不可或缺的核心半導(dǎo)體產(chǎn)品。其中SiC 功率器件被認(rèn)為未來最大的應(yīng)用市場在新能源汽車,主要是功率控制單元(PCU)、逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面;GaN功率器件因其高頻高效率的特點(diǎn)而在消費(fèi)電子充電器、新能源充電樁、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用潛力。
微波射頻方向包括汽車?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通訊、5G基站、預(yù)警探測等應(yīng)用。相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的SiC,GaN功率器件是后進(jìn)者,但它擁有類似SiC性能優(yōu)勢的寬禁帶材料,且擁有更大的成本控制潛力,目前是射頻器件最合適的材料,這在5G時(shí)代非常重要。GaN最大的拉動(dòng)力也被認(rèn)為是5G基站。
據(jù)Omdia《2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報(bào)告》[1]顯示,2020年底,全球SiC和GaN功率半導(dǎo)體的銷售收入預(yù)計(jì)將達(dá)到8.54億美元,以未來十年年均兩位數(shù)的增長率,預(yù)計(jì)2029年將超過50億美元。
在未來十年,受到汽車、航天電子、電源、太陽光電(PV)逆變器以及工業(yè)馬達(dá)的需求驅(qū)動(dòng),以SiC和GaN為代表的新興的第三代功率半導(dǎo)體器件市場將以18%的速度穩(wěn)步成長。預(yù)計(jì)在2022年以前,SiC和GaN功率元件的全球銷售額將從2012年的1.43億美元大幅增加到28億美元[2]。
可以說,第三代半導(dǎo)體大勢所趨!
目前,我國在光電大部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)跑,而在功率器件及射頻器件方面的發(fā)展還處于跟跑和并跑階段,因此,我國對第三代半導(dǎo)體器件的研究極其迫切,需加快其產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
第三代半導(dǎo)體材料主要以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為主,生產(chǎn)過程分為單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟,對應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組等大環(huán)節(jié)。
目前,在光電領(lǐng)域,國星光電在外延、芯片、封裝領(lǐng)域均有布局,經(jīng)過多年發(fā)展,已經(jīng)成為國內(nèi)LED封裝龍頭,且在目前仍然具備技術(shù)挑戰(zhàn)和市場想象空間的Micro LED與UVC LED領(lǐng)域中拔得頭籌。
而在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域,LED+第三代半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)-行家說產(chǎn)業(yè)研究中心認(rèn)為:在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上,除了原本賽道上的玩家,擁有LED制造經(jīng)驗(yàn)、人才儲(chǔ)備以及資金實(shí)力的LED領(lǐng)軍企業(yè),切入第三代半導(dǎo)體也具備一定的先發(fā)優(yōu)勢。在LED產(chǎn)業(yè)工藝日趨成熟,價(jià)格競爭激烈的情況下,提前布局未來前景開闊的藍(lán)海市場不失為極具前瞻性的戰(zhàn)略選擇。
而基于前瞻性的戰(zhàn)略布局與人才隊(duì)伍建設(shè),國星光電期望在國家第三代半導(dǎo)體的發(fā)展中能添磚加瓦,創(chuàng)造新的輝煌。