第三代半導體材料產業(yè)駛上成長快車道

賽迪顧問股份有限公司第三代 半導體新材料產業(yè)研究中心

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

第三代半導體在新基建中廣泛應用

以第三代半導體為基礎制備的電子器件，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域的關鍵核心。

世界多國均在積極發(fā)展建設5G。然而，5G網絡建設、5G智能手機使用、5G基站建設等方面還處于初步建設階段，存在較大的發(fā)展空間。賽迪顧問統(tǒng)計，截至2020年3月底，全球123個國家的381個運營商宣布過它們正在投資建設5G;40個國家的70個運營商提供了一項或多項符合3GPP標準的5G服務;63個運營商發(fā)布了符合3GPP標準的5G移動服務;34個運營商發(fā)布了符合3GPP標準的5G固定無線接人或家用寬帶服務。賽迪顧問統(tǒng)計，截至2020年2月初，中國已開通了15.6萬個5G基站，計劃在2020年實現55萬個5G基站的建設目標。截至2019年底，韓國計劃在其85個城市建設23萬個5G基站;美國計劃建設60萬個5G基站;德國計劃建設4萬個以上5G基站。GaN材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導率高、化學性質穩(wěn)定和抗輻射能力強等優(yōu)點，成為耐高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。在通信基站應用領域，GaN是未來最具增長潛質的第三代半導體材料之一。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時代較大基站功率放大器的候選技術。

為滿足新能源汽車產業(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的階段。新能源汽車充電樁以公共充電樁為主，目前數量最多的經濟體分別是中國、歐盟和美國。截至2019年底，美國和歐盟分別約有7.5萬個和16.9萬個公共充電樁。我國《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南（2015一2020年）》規(guī)劃，到2020年我國分散式充電樁的目標是超過480萬個，以滿足全國500萬輛電動汽車充電需求，車樁比近1：1。充電模塊是充電樁的核心部件，其成本占設備總成本的50%。充電模塊可將電網中的交流電轉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，還可以對電路進行控制、轉換，保證供電電路的穩(wěn)定性。隨著我國新能源汽車市場的不斷擴大，充電樁市場發(fā)展前景也越來越廣闊。siC功率器件可以實現比Si基功率器件更高的開關頻率，具備高功率密度、超小體積的特性。在體積小同時還能支持快速充電的要求下，幾臺車一起快速充電需要達到幾百千瓦的功率，一個電動汽車充電站更是要達到百萬瓦的功率，相當于一個小區(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模塊則可以實現以很小的體積滿足功率上的“嚴苛”要求。因此SiC功率器件在充電模塊中的滲透率不斷增大。

中國由于國土面積較大、電力需求較強，因此中國積極發(fā)展特高壓建設，且逐漸出口全球。相較于傳統(tǒng)高壓輸電，特高壓輸電技術的輸電容量將提升2倍以上，可將電力送達超過2500千米的輸送距離，輸電損耗可降低約60%，單位容量造價降低約28%，單位線路走廊寬度輸送容量增加30%。由于功率半導體是電力電子的核心器件，因此作為功率半導體材料的SiC在直流特高壓供應鏈中也有很多應用機.會。SiC器件可以顯著簡化固態(tài)變壓器的電路結構，減小散熱器空間，并通過提升開關頻率來提高單位功率密度。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啟動應用。未來，更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電也將對萬伏級以上的SiC功率器件有大量需求。

牽引變流器作為機車大功率交流傳動系統(tǒng)的核心裝置，為牽引系統(tǒng)提供動力，具有負載特性特殊、運行環(huán)境復雜和負載變化大等特點。由于全球城際高速鐵路和城市軌道交通處于持續(xù)擴張的發(fā)展階段，推動了軌道交通的綠色、智能化發(fā)展，也對牽引變流器及牽引電機的小型化、輕量化提出更高要求。將SiC器件應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，提高牽引變流裝置的效率，有利于推動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年器件市場規(guī)模將達到608.21億元

在5G、新能源汽車、綠色照明、快充等新興領域蓬勃發(fā)展及國家政策大力扶持的驅動下，2019年，我國第三代半導體襯底材料市場繼續(xù)保持高速增長，市場規(guī)模達到7.86億元，同比增長31.7%。預計未來三年中國第三代半導體襯底材料市場規(guī)模仍將保持20%以上的平均增長速度。2019年，我國第三代半導體器件市場規(guī)模達到86.29億元，增長率達到99.7%。至2022年，第三代半導體器件市場規(guī)模將達到608.21億元，增長率達到78.4%。

未來三年，siC材料將成為IG-BT和MOSFET等大功率高頻功率半導體器件的基礎材料，被廣泛用于交流電機、變頻器、照明電路、牽引傳動領域。預計到2022年SiC襯底市場規(guī)模將達到9.54億元。未來隨著5G商用的擴大，現行廠商將進一步由原先的4G設備更新至5G。5G基地臺的布建密度更甚4G，而基地臺內部使用的材料為GaN材料，預計到2022年GaN襯底市場規(guī)模將達到5.67億元。

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

目前，我國對于第三代半導體材料的投資熱情勢頭不減。賽迪顧問整理統(tǒng)計，2019年共17個增產（含新建和擴產）項目（2018年6個），已披露的投資擴產金額達到265.8億元（不含光電），較2018年同比增長60%。其中2019年SiC領域投資事件14起，涉及金額220.8億元。GaN領域投資事件3起，涉及金額45億元。在新基建的引領下，第三代半導體產業(yè)將成為未來半導體產業(yè)發(fā)展的重要引擎。

國內半導體企業(yè)應向IDM模式轉型

國內半導體企業(yè)應當把握“新基建”帶來的新機遇。我國第三代半導體處于成長期，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有助于降低器件成本、提高化合物半導體市場滲透率。各地政府為了推動我國第三代半導體材料產業(yè)的快速發(fā)展，成立了一批創(chuàng)新中心，以應用為牽引，以產業(yè)化需求為導向，加大科技創(chuàng)新，加強科技成果轉化，抓住產業(yè)技術核心環(huán)節(jié)、推動產業(yè)上下游協同發(fā)展。例如，目前疫情防控工作仍然“任重道遠”，可用于殺菌消毒的AlGaN紫外LED引發(fā)關注，加大研發(fā)投入和政策資金扶持，將有助于AlGaN紫外LED導人市場。

在投資方面，一方面國內企業(yè)應向IDM模式轉型。第三代半導體材料的性能與材料、結構設計和制造工藝之間關聯緊密，且制造產線投資額相對較低，因此國外多數企業(yè)為了保持競爭力，多采用IDM模式。隨著襯底和器件制造技術的成熟和標準化，以及器件設計價值的提升，器件設計與制造分工的趨勢日益明顯。因此，國內企業(yè)為了確保企業(yè)自身的競爭優(yōu)勢，應向IDM模式發(fā)展。

另一方面應夯實支撐產業(yè)鏈的公共研發(fā)與服務等基礎平臺。建設戰(zhàn)略定位高端、組織運行開放、創(chuàng)新資源集聚的專業(yè)化國家技術創(chuàng)新中心。支持體制機制創(chuàng)新、開放、國際化的、可持續(xù)發(fā)展的公共研發(fā)和服務平臺。突破產業(yè)化共性關鍵技術，解決創(chuàng)新資源薄弱、創(chuàng)新成果轉化難等問題。搭建國家級測試驗證和生產應用示范平臺，降低企業(yè)創(chuàng)新應用門檻。完善材料測試評價方法和標準，加強以應用為目標的基礎材料、設計、工藝、裝備、封測、標準等國家體系化能力建設。