站在“新基建”浪潮上的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) （上）

導(dǎo)讀：新基建建設(shè)離不開半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，第三代半導(dǎo)體相比前兩代在材料、應(yīng)用端都有重大革新，如何更好地理解半導(dǎo)體？祥峰投資的兩篇文章全景分析第三代半導(dǎo)體機會。

本文為祥峰投資對第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究內(nèi)容，其中包含了各材料性能對比與材料應(yīng)用范圍，方便從底層了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，系列文章較長，建議收藏閱讀。本文為上篇，下篇請點擊：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（下）

4月20日，國家發(fā)改委首次官宣“新基建”的范圍，正式定調(diào)了5G基建、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等七大領(lǐng)域的發(fā)展方向。在建設(shè)需求的驅(qū)動下，一大批科技創(chuàng)新企業(yè)也將迎來發(fā)展的窗口期。

“新基建”作為新興產(chǎn)業(yè)，一端連接著不斷升級的消費市場，另一端連接著飛速發(fā)展的科技創(chuàng)新。值得注意的是，無論是5G、新能源汽車還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等，“新基建”各個產(chǎn)業(yè)的建設(shè)都與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。例如：

以氮化鎵(GaN) 為核心的射頻半導(dǎo)體，支撐著5G基站及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)；

以碳化硅(SiC) 以及IGBT為核心的功率半導(dǎo)體，支撐著新能源汽車、充電樁、基站/數(shù)據(jù)中心電源、特高壓以及軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)；

以AI芯片為核心的SOC芯片，支撐著數(shù)據(jù)中心、人工智能系統(tǒng)的建設(shè)。

不難看出，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅(SiC) 為首的第三代半導(dǎo)體是支持“新基建”的核心材料。在“新基建”與國產(chǎn)替代的加持下，國內(nèi)半導(dǎo)體廠商將迎來巨大的發(fā)展機遇。

祥峰投資中國基金自成立以來，密切關(guān)注半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，早在2013年就投資了半導(dǎo)體顯示芯片供應(yīng)商——云英谷科技，而后接連投資了地平線、慧智微電子、芯馳科技、移芯科技、BlueX、Lightelligence等一批高成長性的半導(dǎo)體芯片企業(yè)。

作為中國半導(dǎo)體行業(yè)的觀察者，祥峰投資本次帶來一份《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究報告》，將探討以下問題，分為上、下兩期具體展開：

上：

第三代半導(dǎo)體相較第一代、第二代有哪些進步？

為何氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)在第三代半導(dǎo)體中備受追捧？

氮化鎵(GaN) 和碳化硅 (SiC) 的應(yīng)用場景有哪些？市場規(guī)模有多大？驅(qū)動二者增長的因素有哪些？

下：

第三代半導(dǎo)體芯片在產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié) (襯底、外延、設(shè)計、制造、封裝) 的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？

國內(nèi)外主要的第三代半導(dǎo)體廠商有哪些？

1、第三代半導(dǎo)體在擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子飽和速率及抗輻射能力上全面提升

半導(dǎo)體的應(yīng)用可追溯到上世紀(jì)五六十年代，至今經(jīng)歷了三個時期的的發(fā)展迭代(見下圖)。

與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件，可廣泛應(yīng)用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領(lǐng)域，包括射頻通信、雷達、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。

三代半導(dǎo)體材料主要性能參數(shù)比較

2、氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)是當(dāng)下規(guī)?；逃米钪饕倪x擇

在第三代半導(dǎo)體材料中，目前發(fā)展較為成熟的是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），這兩種材料是當(dāng)下規(guī)?；逃米钪饕倪x擇。

從下表常用的“優(yōu)值（Figure of Merit, FOM）”可以清晰地看出，SiC和GaN相較于前兩代半導(dǎo)體材料在功能與特性上有了巨大的提升。

*以上優(yōu)值以Si材料為單位1，進行了歸一化

GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應(yīng)用領(lǐng)域上各有側(cè)重和互補。

GaN的高頻Baliga優(yōu)值顯著高于SiC，因此GaN的優(yōu)勢在高頻小電力領(lǐng)域，集中在1000V以下，例如通信基站、毫米波等

SiC的Keye優(yōu)值顯著高于GaN ，因此SiC的優(yōu)勢在高溫和1200V以上的大電力領(lǐng)域，包括電力、高鐵、電動車、工業(yè)電機等

在中低頻、中低功率領(lǐng)域，GaN和SiC都可以應(yīng)用，與傳統(tǒng)Si基器件競爭

GaN與SiC的應(yīng)用領(lǐng)域

3、氮化鎵(GaN) 的應(yīng)用場景、市場規(guī)模及增長驅(qū)動的因素

GaN器件主要包括射頻器件、電力電子功率器件、以及光電器件三類。GaN的商業(yè)化應(yīng)用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性，相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發(fā)揮GaN寬禁帶半導(dǎo)體特性的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

GaN射頻器件

射頻器件的主要技術(shù)包括硅基的RF CMOS、Si-LDMOS方案，基于GaAs的方案，以及GaN方案。

硅基的RF CMOS適用于低頻、低功率領(lǐng)域。在藍(lán)牙、Zigbee應(yīng)用占主導(dǎo)地位，一些WiFi和低端手機也使用該方案

GaAs方案適合小功率應(yīng)用，通常低于50W，是目前4G/LTE基站射頻芯片的主要技術(shù)之一。大部分手機的功放芯片也使用GaAs方案。短期內(nèi)5G的手機終端也仍然是GaAs方案

Si-LDMOS（橫向擴散MOS）是目前4G/LTE基站射頻芯片的主要技術(shù)之一。LDMOS器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3.5 GHz以下

GaN方案則彌補了GaAs和Si-LDMOS這兩種傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，將在高功率，高頻率射頻市場優(yōu)勢明顯，特別是在高頻（大于8 GHz）、中大功率（10W~100W）范圍

數(shù)據(jù)來源：Yole

GaN射頻器件的應(yīng)用優(yōu)勢：

GaN在功率密度上的優(yōu)勢使得芯片體積大為縮小

5G基站會用到多發(fā)多收天線陣列方案，GaN射頻器件對于整個天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進

在高功率，高頻率射頻應(yīng)用中，獲得更高的帶寬、更快的傳輸速率，以及更低的系統(tǒng)功耗

此外，GaN射頻功率晶體管，可作為新的固態(tài)能量微波源，替代傳統(tǒng)的2.45GHz磁控管，應(yīng)用于從微波爐到高功率焊接機等消費電子和工業(yè)領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)來源：Qorvo

GaN射頻器件的市場規(guī)模：

“GaN射頻器件全球市場預(yù)計到2024年成長至20億美元，雖然在整個百億美元的射頻芯片市場中的占比仍然較小，但是增速可期?！?/p>

根據(jù)Yole的預(yù)測，GaN射頻器件市場預(yù)計到2024年成長至20億美元，6年CAGR達到21%。主要的市場增長來自無線通信基礎(chǔ)設(shè)施和軍工。5G的普及將推動GaN在無線通信的市場達到7.5億美元

需要指出的是，整個半導(dǎo)體射頻器件的市場空間規(guī)模在百億美元。其中GaAs器件仍然占據(jù)的絕大部分市場份額。2014 年，全球射頻功放芯片（PA）市場規(guī)模為73.9 億美元，由于GaAs PA相對Si 基CMOS PA 性能優(yōu)勢明顯，砷化鎵PA產(chǎn)值市場占比高達94%。受益于移動終端升級、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，PA 市場總量預(yù)計2020 年將增至114.16 億美元，2014 至2020年復(fù)合增長率為7.51%

數(shù)據(jù)來源：Yole, IBS

GaN射頻器件的驅(qū)動因素：

需求側(cè)，5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅(qū)動因素。

供給側(cè)，GaN on SiC、GaN on Si的技術(shù)不斷成熟，讓GaN功率器件有了更高的性價比，打開應(yīng)用空間。

GaN功率器件

GaN功率器件，與前述GaN射頻功率芯片有所區(qū)分。主要指在高電壓和較大電流下工作，與高頻和射頻關(guān)系不大。這類最常見的應(yīng)用是電源相關(guān)的芯片。

功率器件主要是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。不同于其他依靠電流驅(qū)動的晶體管，MOSFET是電壓驅(qū)動型器件，只需在門極施加一個合適的電壓，MOSFET就會導(dǎo)通。這一特性讓MOSFET在AC/DC開關(guān)電源、變速電機、熒光燈、DC/DC轉(zhuǎn)換器等設(shè)備中有著無法替代的作用。

GaN功率器件的主要應(yīng)用：

消費電子：GaN由于高功率密度和良好的溫度特性，用在電源上可兼顧小體積與大功率輸出，此外還具有更好的開關(guān)特性。

數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)：數(shù)據(jù)中心包含許多大功率的服務(wù)器，通常需要大電流和低電壓，再加上冷卻系統(tǒng)，用電成本高昂。將高電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電，用于通常需要多個DC-DC變換，每一個功率變換階段，效率都會下降。如果可以使用高壓器件進行轉(zhuǎn)換，則可以減少電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)，從而提高整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

光伏逆變器：使用GaN功率器件，工作在超過100 kHz的開關(guān)頻率下，可以大大提高系統(tǒng)的逆變效率。

其他領(lǐng)域還包括DC-DC轉(zhuǎn)換器、POL轉(zhuǎn)換器，以及電機驅(qū)動和D類大功率音頻放大器等。

GaN功率器件的市場規(guī)模：

2017 年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模為 327 億美元，預(yù)計到 2022 年達到 426 億美元。工業(yè)、汽車、無線通訊和消費電子是前四大終端市場。

GaN器件在整個功率半導(dǎo)體市場占比還非常小。2016年GaN功率器件市場規(guī)模約為1200萬美元，預(yù)計到2022年將增長到4.6億美元，CAGR達到79%。主要增長來自電源管理、新能源車、LiDAR、無線功率和封包追蹤等應(yīng)用。

隨著GaN on Si技術(shù)的成熟帶來成本降低，GaN功率器件的潛在市場空間將持續(xù)放大。GaN 有望在中低功率替代Si MOSFET、IGBT 等硅基功率器件。根據(jù)Yole估計，在0~900V 的低壓市場，GaN 都有較大的應(yīng)用潛力，這一塊占據(jù)整個功率市場約68%的比重，按照整體市場400億美元來看，GaN 功率器件的潛在市場超過270 億美元。

數(shù)據(jù)來源：Yole, IBS

4、碳化硅 (SiC)的應(yīng)用場景、市場規(guī)模及增長驅(qū)動的因素

MOSFET和IGBT是應(yīng)用最為廣泛的功率器件。SiC從上世紀(jì)70 年代開始研發(fā)。2001年SiC SBD 商用，2010年SiC MOSFET商用。SiC IGBT目前還在研發(fā)中。

SiC能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)損耗，因此具有更好的能源轉(zhuǎn)換效率，更容易實現(xiàn)模塊的小型化，更耐高溫。

SiC功率器件的主要應(yīng)用：

智能電網(wǎng)：SiC功率器件在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器等、電力電子變壓器等裝置中。目前SiC器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開始了應(yīng)用。未來更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電對萬伏級以上的SiC功率器件有很大需求。

交通：主要用于牽引變流器、電力電子電壓器等。采用SiC功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。

新能源汽車：SiC功率器件應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域具有極大優(yōu)勢。SiC功率器件的高溫特性和高熱導(dǎo)性能可以顯著減少散熱器的體積和降低成本，其高頻特性有助于提高電機驅(qū)動器的功率密度，減小體積，降低重量，并推動新型拓?fù)湓陔姍C驅(qū)動、充電樁和車載充電器中的應(yīng)用。

光伏、風(fēng)電：目前國際上光伏并網(wǎng)裝備市場是SiC功率器件的第二大應(yīng)用市場，占SiC功率器件市場超過30 %以上。SiC光伏逆變器效率可以達到99 %以上，能量轉(zhuǎn)換損耗可以降低50%，這將極大地降低逆變器的成本和體積。風(fēng)機并網(wǎng)裝備對中高壓SiC功率器件具有重大的需求，以代替硅器件串聯(lián)或拓?fù)浼壜?lián)，顯著減小裝置的體積，大幅度提高風(fēng)機變流器工作效率和可靠性，預(yù)計到2020年，SiC功率器件將進入風(fēng)機并網(wǎng)裝備市場。

SiC功率器件的市場空間：

2017年全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場總額達 3.99 億美元。預(yù)計到2023年，SiC功率半導(dǎo)體的市場總額將達16.44億美元。從產(chǎn)品來看，SiC SBD二極管和SiC MOSFET將成為應(yīng)用最多的產(chǎn)品。SBD二極管大量用于各種電源中，實現(xiàn)功率因素校正（PFC）等功能。SiC MOSFET的主要用途是在多種應(yīng)用場景中替代SiIGBT。

數(shù)據(jù)來源：Infineon

SiC功率器件的市場空間和驅(qū)動因素：

新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅(qū)動因素。目前 SiC器件在新能源車上應(yīng)用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。

PCU：此為車電系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。傳統(tǒng)PCU使用硅原料制成。至于使用SiC原料則可顯著降低電能損耗，約10%，同時也可以大幅降低系統(tǒng)大小和重量。

逆變器：SiC能夠大幅度降低逆變器尺寸及重量，做到輕量化與節(jié)能。在相同功率下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于Si 模塊，同時也可以使開關(guān)損耗降低75％。2018年，特斯拉Model3 的逆變器采用了ST生產(chǎn)的SiCMOSFET，每個逆變器包括了48個SiCMOSFET。Model3 的車身比ModelS 減小了20%。

車載充電器：SiC正在加速滲透至車載充電器領(lǐng)域。根據(jù)Yole統(tǒng)計，截至2018年有超過20家車廠在自家車載充電器中采用SiCSBD 或SiCMOSFET，這一市場在2023年之前可望保持44%的增長。

數(shù)據(jù)來源：Cree 官網(wǎng)；Geekcar

隨著6英寸SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高，SiC 器件制備能夠在目前現(xiàn)有6英寸Si 基功率器件生長線上進行，這進一步降低SiC材料和器件成本，推進SiC 器件和模塊的普及。

未完待續(xù)，下期將具體為您解讀第三代半導(dǎo)體芯片在產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié) (襯底、外延、設(shè)計、制造、封裝) 的關(guān)鍵技術(shù)，及國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)地圖。