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第三代宽禁带半导体材料及应用产业发展报告
发布日期:2018-4-2   点击次数:5019

源自CASA  

 长沙力高捷创仪器有限公司  www.jectronic.com

前言

第三代半导体材料是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。第一代半导体材料以硅(Si)和锗(Ge)等元素半导体为代表,奠定了微电子产业基础;第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表,奠定了信息产业基础;以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能,是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”,在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景,有望突破传统半导体技术的瓶颈,与第一代、第二代半导体技术互补,对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。

第三代半导体材料是全球战略竞争新的制高点。美、日、欧等各国积极进行战略部署,第三代半导体材料引发全球瞩目,并成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点。中国正在积极推进,加快发展。2016年,我国半导体照明产业规模达到5216亿元,照明强国地位渐显,为第三代半导体在其他领域的技术研发和产业应用奠定了良好的基础。2016年,第三代半导体技术显著提升,市场逐步开启,政策全面加速,资本积极进入,企业加快布局,南北基地启动,第三代半导体产业在中国迎来发展“元年”。

一、政策加紧部署,抢占战略高地

1. 各国加紧部署,方向逐步调整

美国等发达国家为了抢占第三代半导体技术的战略制高点,通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式,将企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联合在一起,通过协同组织,共同投入,实现第三代半导体技术的加速进步,引领、加速并抢占全球第三代半导体市场,在支持方向上则更加关注以应用需求带动研发,引导资源进入产品级的开发和市场终端应用。

表1 2016年各国第三代半导体材料相关部分政策措施

时间地区主体方式内容2016美国总统科学和技术顾问委员会(PCAST)成立半导体工作组加强半导体产业发展,使国家经济和安全受益。《确保美国在半导体领域的长期领导地位》报告通过在尖端领域的持续创新,美国才能够减少由中国产业政策所带来的威胁,以增强美国经济。政府机构/企业联合研发美国国家宇航局(NASA)、国防部先进研究计划署(DARPA)等机构通过研发资助、购买订单等方式开展SiC、GaN研发、生产与器件研制。2016英国创新英国化合物半导体应用创新中心投入400万英镑加速化合物半导体器件商业应用。卡迪夫大学化合物半导体研究所和半导体研究中心合作企业和机构26家,大学、政府、英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)投资超过6000万英镑,聚焦电力电子、射频/微波、光电、传感器4大技术。2016日本政府机构联合研发项目“有助于实现节能社会的新一代半导体研究开发”的GaN功率元件开发项目,为期5年,第一年(2016年度)预算为10亿日元。2016韩国政府机构研发项目重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长四个方面。在功率器件方面,启动了功率电子的国家项目,重点围绕Si基GaN和SiC。

资料来源:CASA整理

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2.国内加大力度,着力换道超车

“十二五”以来,我国开展了跨学科、跨领域的研发布局,在新材料、能源、交通、信息、自动化、国防等各相关领域分别组织国内科研院所和企业联合攻关,部分解决了第三代半导体材料和器件制备的关键技术问题。2016年作为“十三五”开局之年,科技部、工信部、国家发改委等多部委出台多项政策,对第三代半导体材料进行布局。从政策的内容来看,科技创新仍是重点,产业化布局、专业人才储备、投资鼓励、产业园规划建设、生产制造扶植等方面的支持政策也逐步出台,力争全面实现“换道超车”。

地方政策也在2016年大量出台,福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策(不包括LED)近30条。一方面多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划(17项)另一方面不少地方政府有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。

表2 2016年国内第三代半导体材料相关部分政策措施

颁布时间颁布机构名称内容2016.07国务院《“十三五”国家科技创新规划》提出发展新一代信息技术,发展微电子和光电子技术,重点加强极低功耗芯片、新型传感器、第三代半导体芯片和硅基光电子、混合光电子、微波光电子等技术与器件的研发。2016.09科技部、国家发改委、外交部、商务部《推进“一带一路”建设科技创新合作专项规划》在共同开展高品质特殊钢等重点基础材料产业化关键技术中提到第三代半导体制造技术合作研发。2016.09工信部《建材工业发展规划(2016-2020年)》在主要任务中提出要壮大建材新兴产业(人工晶体),重点发展高品质人造金刚石和金刚石膜,4-6英寸LED用蓝宝石晶体衬底,第三代半导体晶体材料等产品。2016.11国务院《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出做强信息技术核心产业,推动智能传感器、电力电子、印刷电子、半导体照明、惯性导航等领域关键技术研发和产业化,提升新型片式元件、光通信器件、专用电子材料供给保障能力,将大功率半导体照明芯片与器件纳入节能技术装备发展工程。2016.12国务院国家新材料产业发展领导小组成立国家新材料产业发展领导小组,做好顶层设计和政策引导,抓好重点工作落实,加快推动新材料产业快速健康发展,国家重大项目“重点新材料研发及应用”有望在2017年启动。

资料来源:CASA整理

二、技术快速进步,国内亟待突破

1.国际发展提速,应用即将爆发

(1) SiC产业链各环节进展

SiC衬底材料方面,国际主流产品逐渐由4英寸向6英寸过渡,并开始研发和生产8英寸衬底。4英寸零微管的4H-SiC单晶衬底已商业化,6英寸产品的微管密度在5个/cm2以下。Cree公司4英寸基片的穿透型螺位错密度降至447个/cm2,基平面位错密度为56个/cm2;6英寸基片的穿透型螺位错密度为230个/cm2,基平面位错密度为112个/cm2。外延材料方面,国际上6英寸外延片已经产业化,外延速率最高可以达到170μm /h,100μm以上的高厚度外延片缺陷密度低于0.1cm-2。

SiC器件方面,国际上SiC肖特基二极管(SBD)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等均已实现量产,产品耐压范围600V-1700V,单芯片电流超过50A,并开发出了1200V/300A、1700V/225A的全SiC功率模块产品;实验室开发了10000V-15000V/10A-20A的SiC MOSFET;并研发出了IGBT芯片样品,最高耐压水平已经超过20 kV量级。

应用方面,SiC器件正在渗透到以电动汽车、消费类电子、新能源、轨道交通等为代表的民用领域。在电动汽车领域,三菱电机公司在逆变器中采用SiC二极管和晶体管,开发出世界上最小的电动汽车马达;2015年丰田推出了基于SiC MOSFET的凯美瑞SiC试验车,逆变器开关损耗降低70%。在消费类电子领域,日本多家空调厂商均计划在近期推出采用SiC器件的空调变频驱动器,大幅提升空调效率,减小变频器体积。在新能源领域,Cree公司(wolfspeed)的SiC器件已经应用于开发光伏逆变器和风电变流器;日本富士开发了1MW的SiC光伏发电系统;安川电机和三菱电机分别推出采用GaN和SiC电力电子模块的光伏逆变器,转换效率均达到98%。在轨道交通领域,东京地铁银座线的新“01系列车”采用三菱电机的SiC逆变器,使系统的电力损失减少30%以上。在国防领域,美国采用10kV/120A的SiC MOSFET功率模块开发了1MVA的电力电子变压器,并开发了基于SiC器件的2.7MVA的固态功率变电站,该固态功率变电站可能将被应用于美国下一代航空母舰CVN-21的配电系统中。美国GE公司采用SiC器件开发了75kW逆变器,用于航空航天电源系统。

(2) GaN产业链各环节进展

GaN衬底材料方面,住友电工、日立电线、古河机械金属和三菱化学等日本公司已可以出售标准2-3英寸HVPE制备的GaN衬底,具备4英寸衬底(位错密度106cm-2)的小批量供应能力。外延材料方面,美国Nitronex,德国Azzuro和日本企业开始提供6英寸制备600V以上电力电子器件的Si上GaN外延材料。SiC衬底的射频微波功率用GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)外延片已实现产业化。

GaN电力电子器件方面,目前已推出耐压650V及以下系列 Si基GaN功率器件,主要应用于服务器电源(PFC)、车载充电、光伏逆变器等。2016年3月,美国Navitas公司推出650V单片集成GaN功率场效应晶体管(FET),以及GaN逻辑和驱动电路。8月美国Dialog公司(由台积电代工)推出了针对电源适配器的GaN IC方案。GaN微波射频器件方面,目前主要用于远距离信号传输和高功率级别,如雷达、移动基站、卫星通信、电子战等。美国、日本等十几家公司均推出了GaN射频功率器件产品。GaN光电器件方面,产业化LED光效水平达到176 lm/W以上。东芝、三星等多家公司均推出了大尺寸Si衬底上产业化大功率GaN LED芯片产品,光效达到130-140 lm/W。另外,3.75W 蓝光和1W绿光激光器已有销售,342nm紫外激光器实现脉冲激射,但尚不能实现应用。在紫外探测器方面,普通非增益探测器量子效率超过60%,并可以批量应用于民用产品,增益可见光盲GaN雪崩光电二极管(APD)已经报道了单光子探测。

2.国内高度重视,技术快速跟进

(1) 国内重点部署研发

2000年以来,在国家多项科技和产业计划的大力支持下,我国的先进电子材料取得了长足进步,大幅度缩小了与发达国家的差距,进入了从受制于人、跟跑到自主保障、领跑的历史性转折阶段。2016年我国启动了“十三五”国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项的组织实施工作,第三代半导体材料与半导体照明作为重点专项中最重要的研究领域,得到了国家层面的重点支持,以全链条部署、一体化实施的组织模式部署了11个研究方向,并在2016年和2017年分两批启动。2016年度启动的6个方向已正式立项并取得阶段性研究成果,2017年度启动的5个方向已经完成预评审工作,预计2017年6月将完成立项工作。

表3 战略性先进电子材料—第三代半导体材料与半导体照明方向项目部署

序号项目名称牵头单位启动年份一大失配、强极化第三代半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律北京大学2016二面向下一代移动通信的GaN基射频器件关键技术及系统应用中兴通讯股份有限公司2016面向下一代移动通信的GaN基射频器件关键技术及系统应用瑞德兴阳新能源技术有限公司2016三中低压SiC材料、器件及其在电动汽车充电设备中的应用示范北京华商三优新能源科技有限公司2016四高压大功率SiC材料、器件及其在电力电子变压器中的应用示范全球能源互联网研究院2016五高品质、全光谱无机半导体照明材料、器件、灯具产业化制造技术南昌黄绿照明有限公司2016高效大面积OLED照明器件制备的关键技术及生产示范苏州大学2016六第三代半导体固态紫外光源材料及器件关键技术中国科学院半导体研究所2016第三代半导体紫外探测材料及器件关键技术南京大学2016七面向新一代通用电源的GaN基电力电子关键技术等待最终评审结果2017八超高能效半导体光源核心材料、器件及全技术链绿色制造技术2017九新形态多功能智慧照明与可见光通信关键技术及系统集成2017十半导体照明与生物作用机理及面向健康医疗和农业的系统集成技术与应用示范2017十一用于第三代半导体的衬底及同质外延、核心配套材料与关键装备2017

资料来源:CASA整理

另外,为推动第三代半导体器件在新能源汽车和新能源并网领域的应用,在国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项、“智能电网技术与装备”重点专项中也启动了相关技术研发和示范应用研究。

表4 其他相关重点专项项目部署

国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项序号项目名称牵头单位启动年份一高温车用SiC器件及系统的基础理论与评测方法研究中国科学院电工研究所2016二高功率密度车用逆变器产品平台开发及产业化上海电驱动股份有限公司2016三高功率密度电机控制器上海大郡动力控制技术有限公司2016四宽禁带半导体电机控制器开发和产业化等待最终评审结果2017国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项一分布式光储发电集群灵活并网关键技术及示范阳光电源股份有限公司2016二分布式可再生能源发电集群并网消纳关键技术及示范应用中国电力科学研究院2016

资料来源:CASA整理

(2) SiC产业链各环节进展

SiC衬底材料方面,国内开始批量生产4英寸导电衬底,并开发出6英寸样品。4英寸微管密度可控制在1个/cm2,最低可到达0.1个/cm2,6英寸微管密度可以控制在10个/cm2以下,国产SiC衬底仍存在相对较高的位错缺陷密度,典型值为103 /cm2。另外,国内已开发出射频器件用2英寸高阻衬底材料。SiC外延材料方面,国内已成功批量生产6英寸N型SiC外延片,生长速率为80μm /h -100μm /h,100μm SiC外延片缺陷密度已经能够达到0.5/cm2。另外,6寸P型外延材料实现批量生产。

SiC器件方面,国内基本处于起步阶段,目前可量产600V-2500V的SiC SBD产品,部分开始形成销售。研制出3300V SiC SBD、1200V-3300V的SiC MOSFET原型器件,尚不具备产业化能力。此外,国内已开发出1700V/1200A的混合模块(Si IGBT和1700V/25A的SiC SBD)、4500V/50-100A等大容量的全SiC模块,以及10kV/200A的串联功率模块,正在进行测试和可靠性验证。目前进口的SiC功率器件已经应用于PFC电源、UPS、光伏逆变器、充电桩和车载充电机(华为和比亚迪等已小规模采用)。

总体来说,高质量、高可靠性、快速厚外延技术是限制SiC功率器件在高压领域发展和推广的瓶颈。较小的SiC单晶衬底尺寸和较高的缺陷密度是制约SiC功率器件向大容量方向发展的制约因素。SiC工艺技术未完全成熟是制约SiC功率器件发展和推广实现的技术瓶颈。高温封装技术发展滞后是制约SiC功率器件在高温领域推广的不利因素。

(3) GaN产业链各环节进展

GaN衬底材料方面,目前能够批量供应2英寸GaN衬底,其缺陷密度达到5×106cm-2,已开发出4英寸GaN衬底样品。GaN外延材料方面,已实现商业化的6英寸Si基GaN外延材料和器件,GaN外延层厚度超过5μm(耐压600V)。

GaN微波射频器件方面,形成了系列化GaN微波功率器件和单片微波集成电路(MMIC)产品,在军用领域,主要应用于国防建设中战斗机、军舰、地面、导弹等T/R组件,可靠性在8mm波段已经达到近百万小时,在X波段以下可靠性达到近千万小时;在民用领域,开发了5G通信用GaN功率MMIC,主要针对15GHz、30GHz等频段,在28GHz-30GHz工作频率下,输出功率达到10W以上。国内中电科13所和中电科55所有多年军工元器件的技术积累,在满足军工需求的同时开始与国内通讯企业合作开发民用器件,且在4G移动通信频段部分性能指标已达到国际先进水平。华为海思半导体也在积极布局GaN射频器件。苏州能讯与中兴和华为合作开发射频器件,并初步形成销售。GaN电力电子器件方面,国内已经在实验室实现了耐压超过900V的Si上GaN电力电子器件,性能与国际先进水平有一定差距,暂未实现产业化。

GaN光电器件方面,功率型白光LED产业化光效160 lm/W,功率型硅基LED芯片产业化光效150 lm/W;280nm深紫外LED室温连续输出功率超过20 mW;硅衬底黄光LED(565nm)光效达到130lm/W,绿光LED(520nm)光效超过180 lm/W,为国际报道最好水平。此外,国内可小批量生产1.3W蓝光和60mW绿光激光器,392nm紫外激光器发光效率达到80mW。在普通非增益GaN紫外探测器方面,国内和国外水平相近,增益型日盲波段AlGaN APD增益可达1e5,成像面阵规模可以做到256×320以上,但相较国际水平仍有差距。

GaN应用方面,我国半导体照明应用领先国际,2016年我国半导体照明产业规模达到5216亿元,其中通用照明产值达到2040亿元。在第三代半导体电子器件应用方面,我国仅在移动通讯、光伏逆变、雷达领域有示范应用。

三、产业进程加速,市场逐步渗透

1.国际格局初定,市场广阔可期

(1) 产业格局基本形成

电力电子领域

第三代半导体电力电子器件已初步具备产业化应用条件。目前全球有超过30家公司在电力电子领域拥有对SiC、GaN相关产品的生产、设计、制造与销售能力,但市场上能够批量稳定提供SiC、GaN产品的不超过1/3。SiC领域,2016年,美国德州仪器(TI)等诸多企业进入该领域,但Cree和NXP则因出售相关业务退出了该领域。

目前,全球第三代半导体电力电子产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中,美国在SiC领域全球独大,拥有Cree、II--VI、道康宁等具有很强竞争力的企业,并且占有全球SiC 70-80%的产量。

欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件、应用产业链,拥有英飞凌、意法半导体、Sicrystal、Ascatronl、IBS、ABB等优秀半导体制造商,在全球电力电子市场拥有强大话语权。日本是设备和模块开发方面的绝对领先者,主要产商有罗姆、三菱电机、富士电机、松下、东芝、日立等,其中罗姆、三菱是Cree和英飞凌的主要竞争对手。在韩国,SiC粉末公司有LG Innotek,晶体企业有POSCO、Sapphire Technology、LG、OCI和SKC,外延企业有RIST、POSCO和LG,但是涉猎SiC器件的企业不多,主要推动者是三星。

而在GaN电力电子方面,美国拥有较为完整产业链,在外延、器件及应用环节有Transform、EPC、GaN system、Powerex等企业。欧盟在该领域的2家企业Azzurro、EpiGaN主要集中在外延环节。亚洲企业在材料环节占优,日本信越、富士电机和台湾汉磊等在衬底和外延表现突出。

微波射频领域

在射频微波领域,目前全球约有超过30家企业已经从事GaN的研发生产,其中10家左右已经实现了GaN的量产化和商业化。2016年,有5家企业进入该领域,且基本为中国企业,有2家退出,主要是Cree和NXP因出售相关业务退出了。美国、欧洲、日本等在军事雷达和无线基站通信方面走在世界前列。美国在GaN射频领域拥有Macom、Qorvo、Raytheon、Microsemi、Anadigics等全球领先企业,现阶段GaN主要应用是卫星、雷达、战斗机通信等国防领域,对于5G通讯应用,政府和市场关注较少。欧洲拥有IQE、Ampleon、UMS、NXP等知名企业,在GaN应用于5G通信方面的研发成果较多,技术创新能力强。日本在GaN射频领域的研发和应用,多数以民用通信为主,军事通信探测为辅,主要目的是配合日本在电力电子领域和光电子领域的技术和市场优势。

光电领域

在半导体照明领域,全球LED知名企业包括美国Cree、荷兰Philip、德国Osram、日本Nichia、韩国三星、中国台湾地区晶元光电、中国三安光电、木林森等著名企业。截至目前日亚化学在LED芯片方面的销售仍稳居全球第一,德国Osram、Philip Lumileds、韩国三星等在封装方面领先全球,中国大陆木林森也在2014-2015 年全球LED封装营收排名中进入前十。

在激光器方面,Nichia、Osram走在了国际前列。日本的住友电工、日立电缆等企业在衬底材料方面具有较深的技术储备;而美国的Kyma公司、法国的Lumilog公司也相续实现了2英寸GaN衬底的研发和产业化开发。

在探测器方面,美国通用电气(GE)公司于2008年已经发布了具有日盲特性,单光子探测效率可达到9.4%,而暗计数仅为2.5kHz的SAM结构4H-SiC APD。国际上还有韩国的Genicom公司和日本的Kyosemi公司可以批量供应GaN紫外探测器,其中Genicom公司已经推出了多款GaN紫外探测器的模块化应用产品。

(2) 市场前景广阔可期

电力电力领域

SiC、GaN的电力电子器件市场在2016年正式形成。初步估计,2016年SiC电力电子市场规模在2.1亿-2.4亿美元之间,而GaN电力电子市场规模约在2000万-3000万美元之间,两者合计达2.3亿-2.7亿美元。而据IC insights数据,2016年全球功率半导体销售金额约124亿美元,意味着第三代半导体功率器件2016年的市场占有率已经达到2 %左右。

图1 2015~2021年SiC器件市场规模(百万美元)数据来源:Yole,2016

SiC、GaN在功率电子市场的前景看好。据Yole最新报告数据显示,2021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元,2016-2021年的复合年增长率(CAGR)将达到19%。而Yole同时预测,GaN功率器件在未来五年(2016-2021年)复合年增率将达到86%,市场将在2021年达到3亿美元。当然,SiC、GaN替代Si产品仍然为时甚早。据Lux研究公司数据,预计至2024年,第三代半导体功率电子的渗透率将达到13%,而Si产品仍将占据剩下的87%的市场份额。

微波射频领域

据Yole预测,2016-2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。2015年,受益于中国LTE(4G)网络的大规模应用,带来无线基础设施市场的大幅增长,有力地刺激了GaN微波射频产业。2015年末,整个GaN射频市场规模接近3亿美元。2017-2018年,在无线基础设施及国防应用市场需求增长的推动下,GaN市场会进一步放大,但增速会较2015年有所放缓。2019-2020年,5G网络的实施将接棒推动GaN市场增长。未来10年,GaN市场将有望超过30亿美元。

图 2 2015年全球GaN射频器件市场结构(按应用领域划分)数据来源:Yole

光电领域

随着技术进步,半导体照明的应用领域不断拓宽,市场规模不断增长。据美国产业研究机构Strategies Unlimited 2016年发布的报告显示,2015年,LED器件营收约147亿美元,预计2016年约152亿美元;2020年超过180亿美元。LED器件照明应用仍是主流应用,约占30%以上,并稳步增长;LED在汽车以及农业等应用逐年扩大。

近年来,LED照明产品的市场渗透率快速增长,特别是在新增销售量的渗透率有较快增长,但在已安装市场上,由于基数庞大,LED目前的(在用量)市场渗透率仍不高。IHS数据显示,2015年全球LED灯安装数量在整体照明产品在用量中的渗透率仅为6%,预计2022年将接近40%,LED全球照明市场仍具较大增长潜力。

图3 全球LED器件市场规模及预测(百万美元)

数据来源:StrategiesUnlimited(2016)

2. 链条基本形成,产业初步启动

2016年,我国半导体照明产业整体产值达到5216亿元,较2015年同比增长22.8%;电力电子和微波射频产业处于起步阶段。与国际领先水平相比,我国在第三代半导体衬底、外延材料、器件的整体技术水平落后3年左右;在第三代半导体光电子领域,LED技术水平已接近国际先进水平;在第三代半导体微电子应用方面,日、美、欧在地铁机车、新能源汽车、白色家电、光伏逆变器、雷达等领域开展了规模应用,而我国只在光伏逆变器、PFC电源、UPS、军用雷达等领域有小规模应用。

(1) 产业链条初具雏形

初步形成较完整创新研发和产业化体系。我国开展第三代半导体材料相关研究的国家重点实验室、国家工程中心、国家工程实验室20余家,各类国家级产业化基地、试点城市超过50家。上、中、下游及设计、配套等各环节均开始出现一些优秀厂商,初步形成了较为完整的产业链。

SiC材料体系方面,衬底环节有山东天岳、天科合达、河北同光等已经实现量产,外延环节有东莞天域、瀚天天成、正在投资进入,器件环节有泰科天润等。同时,扬州扬杰电子、世纪金光、中电55所、13所、国家电网、株洲南车等均在SiC电力电子全产业链体系进行了布局。

GaN材料体系方面,外延环节主要有苏州晶湛、江西晶能、东莞中镓等。GaN电力电子器件方面,苏州能讯、江苏能华、杭州士兰微、江苏华功半导体均已进入布局。GaN射频电子方面,台湾台积电和稳懋是目前国内企业代工的主要平台,三安光电、苏州能讯已经布局,而中电13所、55所、29所(海特高新)已经在军用领域占据优势。

GaN光电子方面,国内半导体照明相关企业超过30000家,其中上游三安光电、华灿光电、德豪润达规模均超过10亿,中游木林森、国星光电、瑞丰光电、鸿利智汇等在照明之外积极布局红外、紫外、车用等细分领域,下游照明领域,飞乐、雷士、欧普、阳光等照明企业完成LED转型,成为行业龙头。

(2) 市场先于产业开启

2016年是我国第三代半导体产业发展“元年”。据初步统计,2016年我国第三代半导体产业的整体规模约为5228亿元,其中电力电子产值规模7200万元,微波射频产值规模10.9亿元,光电(主要为半导体照明)产业规模超过5200亿元。

图4 2016年我国SiC、GaN电力电子产业和微波射频产业产值(万元)

数据来源:CASA

电力电子市场规模超过1亿元

2016年,第三代半导体器件在消费类电子、工业电机、太阳能光伏、风力发电、新能源汽车、大数据中心等应用领域开始渗透。2016年,我国第三代半导体电力电子器件的市场规模约为1.6亿元,目前市场90%为进口产品所占有。

图5 2016年我国电力电子器件应用市场分布(%)

数据来源:CASA

据国家统计局数据,2015年我国半导体分立器件规模以上企业的销售额超过900亿元/年,国内第三代半导体电力电子的渗透率不到0.5%。国内目前最大的应用领域在开关电源和不间断电源,而渗透最快的是光伏应用领域。

微波射频市场空间广阔

我国GaN器件在微波射频领域的应用正在快速成熟,特别是民用市场即将起量。全球移动通信基站射频功率器件的市场规模约10亿美元,我国仅中兴、华为、大唐等企业的总需求就在3亿-4亿美元。2016年,我国第三代半导体微波射频电子市场规模约为9.43亿元,其中国防军事和航天应用是主要应用领域。而民用领域,华为、中兴等通信设备商均早已开始针对GaN在无线通讯设备中应用进行布局,但目前国内市场上GaN射频功率器件产品基本为欧、美、日大厂所出,国内研究虽已展开,但目前尚无成熟产品应用,我国自产的具有良好性能和稳定量产供货能力的GaN产品迫在眉睫。

半导体照明突破5000亿

我国第三代半导体材料成功产业化的第一个突破口是光电子领域的半导体照明产业。目前,我国已成为全球最大的半导体照明产品生产和出口地。2016年,我国半导体照明产业整体产值首次突破5000亿元,达到5216亿元,其中上游外延芯片规模约182亿元,中游封装规模达到748亿元,下游应用规模4286亿元。以LED为主营业务上市公司增长到28家,营收持续增长。国内企业频繁参与国际整合并购案,国际竞争力进一步提升。

图6 我国半导体照明产业各环节产业规模及增长率

数据来源:CSAResearch

(3) 基地建设开始启动

2016年,以“北京第三代半导体材料及应用联合创新基地”(以下简称“北京基地)正式动工和第三代半导体南方基地落户广东事件为标志,我国第三代半导体的地方基地布局在各级政府推动下正在逐步展开。

1)北京第三代半导体材料及应用联合创新基地

北京市拥有全国第三代半导体领域一半以上的科技资源、主要应用领域企业总部,以及专业的产业服务机构和首都创新大联盟等众多的产业技术创新联盟,具有发展第三代半导体产业最丰富的资源优势。自2012年起,北京市科委就已开始第三代半导体材料及应用的研发布局,并于2015年联合顺义区政府及国家半导体照明工程研发及产业联盟共同签署了《北京第三代半导体材料及应用联合创新基地建设战略合作协议》,探索了由社会资本与政府共同参与的高科技产业基地建设模式,旨在全球范围内整合资源,形成第三代半导体重大关键技术的供给源头,区域产业集聚发展的创新高地,成果转化与创新创业的众创平台,面向全球开放协同的创新网络。基地一期占地47亩,并于2016年7月开工,预计2017年项目竣工,并吸引企业入驻,重点打造集研发中试平台、产业服务平台、产业基金和园区建设四位一体的产业创新生态系统。

2)广东第三代半导体南方基地

第三代半导体南方基地由广东省科技厅、第三代半导体产业技术创新战略联盟、东莞市政府及相关企业共同建设。以“平台公司+研究院+产业园区+产业基金”四位一体模式建设构成的全产业链生态创新体。南方基地建设可以极大地发挥产业优势,以应用为牵引,促进创新和应用的同步快速发展。

除北京、广东基地以外,江苏、浙江、厦门、江西等地在政府多年持续推动下,继续保持先发优势,逐步开始成为国内具有较为完整产业链的第三代半导体产业特色集聚区。

四、整合完善布局,资本引发热潮

1. 国际并购频现,巨头完善布局

2016年,半导体领域的并购案达46起,其中直接涉及第三代半导体的4项,涉及交易金额超过100亿美元。其中Infineon收购Cree分拆的Wolfspeed对产业格局影响最大。几大半导体巨头均逐步完成了从材料、器件、模组和系统解决方案全产业链的贯通。

表 5 2014-2016年全球第三代半导体领域重要并购案

时间并购方被并购方金额并购影响2016.11SkyworksMicrosemi进行资源整合,扩充自己的营业范围;市场竞争产物;获得其RF与电源器件、RF与IC设计及解决方案。2016.08IQEMBE Technology1500万美元获得化合物半导体晶圆制造,加大亚洲市场占有率、加强与亚洲国家企业的联系。2016.07英飞凌Wolfspeed8.5亿美元获得SiC功率器件和SiC基GaN射频功率,开发出能效更高、面积更小、成本更低的系统,在诸如5G和新能源汽车等高新技术领域具有领先技术。2016.05金风科技新能源企业RES与欧伏电气联手共建全优产业链、收购德州160MW项目拟建北美最大风电场。2015.11安森美仙童24亿美元高压碳化硅肖特基二极管。2015.07CreeAPEICree功率与射频业务将继续扩展在业界的领先地位,并将加快高性能SiC碳化硅电源模块市场的发展。Cree同时还将获得APEI在系统层面的知识产权和应用技术专长。2014.08英飞凌美国国际整流器公司(IR)30亿美元扩充产品组合(SiC和GaN的强强联合)和扩大销路,扩大在美国的影响力,强化在亚洲市场上的地位。2014.03RFMDTriQuint16亿美元这项合并行动将两家射频优质单位组合,提升双方的规模与经营模式,并建立一个更强大的射频晶片产品线。经由其先进的GaN与光学产品组合,也将有利于利润较高的国防与航空以及网路基础设备业务的长期成长。

资料来源:CASA整理

2. 国内产业初启,首现投资热潮

大基金强力助推半导体产业发展壮大。2014年我国成立“国家集成电路产业投资基金”(下称“大基金”),规模超过1300亿元,投资布局集成电路和半导体全产业链的相关领域。2015年6月,大基金48.39亿元入股三安光电,同时,国家开发银行也以最优惠利率向三安提供200亿元贷款,支持三安围绕GaAs和GaN材料,开展新技术研发、生产线建设与境内外并购。此外,大基金还划拨10%-20%的资金投资地方企业集成电路产业基金。在其引导下,北京、上海、武汉、深圳等多地均纷纷建立投资基金,支持本地集成电路和半导体产业发展。据初步统计,目前各地涉及第三代半导体的地方基金规模超过1600亿元。以大基金为杠杆,引领、吸引和撬动更大规模的地方资金外,民间资金也开始投入第三代半导体产业,国家、地方、企业联动的投融资生态逐步形成,将加快我国第三代半导体产业的发展进程。

表6 2015年下半年至2016 国内部分第三代半导体相关项目列表

时间企业投资项目名称计划投资额(万元)

2015.06北京天科合达新材料有限公司高端医疗设备用碳化硅晶片8,000

2015.08扬州扬杰电子科技股份有限公司SiC芯片、器件研发及产业化建设项目15,233

2015.09苏州能讯高能半导体有限公司年产5万片氮化镓晶圆生产线建设项目18,125

2015.12三安光电股份有限公司通讯微电子器件(一期)项目300,475

2015.12江苏澳洋顺昌金属材料股份有限公司澳洋顺昌集成电路芯片项目150,000

2016.01江苏华功半导体有限公司年产硅基氮化镓外延片24万片、封装芯片2.4亿颗项目119,000

2016.01江苏华功半导体有限公司“一院两中心”100,000

2016.01河北普兴电子科技股份有限公司碳化硅外延产业化项目5,000

2016国家电网碳化硅中试线35,000

2016厦门瀚天天成6英寸SiC外延生产线项目130,000

2016.03株洲中车时代电气股份有限公司功率半导体重点实验室暨碳化硅基地产业化建设项目34,188

2016.07山东科恒晶体材料科技有限公司年产12000片2英寸氮化镓单晶基片项目10,318

2016.08青海矽珂电子科技有限公司第三代半导体碳化硅材料产业化项目22,600

2016.08北京世纪金光半导体有限公司宽禁带半导体功能材料与功率器件产业化项目98,600

2016.08北京国联万众半导体科技有限公司第三代半导体材料及应用联合创新基地9,000

2016.09南方半导体科技有限公司第三代半导体产业南方基地200,000

2016.11江西德义半导体科技有限公司年产500万片新型半导体材料项目300,000

2016.11芜湖太赫兹工程中心有限公司太赫兹与毫米波集成电路技术工程研究中心项目50,000

2016.12厦门芯光润泽科技有限公司SiC(碳化硅)功率模块研发及产业化项目200,000

2016.12厦门华天恒芯SiC器件生产线项目150,000

资料来源:CASA根据环评公示等公开资料整理

国内第三代半导体材料第一波的投资热潮初步显现。据初步统计,2015年下半年至2016年底已经立项(已经环评公示)的第三代半导体相关项目达18项,总投资金额近180亿元,共涉及投资主体企业15家。

从投资的构成来看,SiC材料相关投资项目8个,投资额约64亿元,其中厦门三家企业投资规模达40亿元,占62.5%。SiC单晶衬底环节,在建项目主要有青海矽珂和芜湖太赫兹,将新增超过10万片SiC单晶的产能;而SiC外延片目前投资项目多达5个,建成后将带来143万片(4英寸)的年产能。此外,流片、器件和模组环节投资达36.52亿元,将新增器件产能超过30万片,模组1150万套,带来直接经济产值超过70亿元/年。而GaN材料(不含LED)相关投资主要集中在外延、芯片环节,6个相关项目投资额达90亿元左右,新增产能达130万片,其中明确面向微波射频领域的项目主要有三安光电的通讯微电子项目。

从投产时间来看,绝大部分SiC、GaN项目尚在建设中,加上设备调试和技术磨合时间,预计产能真正发挥作用将要到2018年,届时产业发展速度将显著提速。

五、存在问题和发展趋势

1.主要问题

(1) 研发分散、投入不够,缺乏稳定持续的有效攻关

我国总体研发投入的力度不够、不集中。企业作为创新的主体,原始创新能力不足,在产品研发方面重视不够,缺乏主动研发投入,参与创新研发少、生产跟踪仿制多,“中国制造”产品中缺乏“中国创造”元素,只能依靠廉价销售与低层次竞争手段寻找出路。

(2) 公共研发和服务平台缺位

第三代半导体涉及多学科、跨领域的技术和应用,需要联合多领域优势资源,开展多学科、跨领域的集成创新,但研发和产业化需要昂贵的生长和工艺设备、高等级的洁净环境和先进的测试分析平台,目前国内从事第三代半导体研发的研究机构、企业单体规模小,资金投入有限,研发创新速度慢,工程化技术是短板,成果转化难,公共平台缺乏使研发“死亡谷”现象严重。

(3) 创新链没有打通

第三代半导体材料及应用技术涉及材料、能源、交通、信息、装备和自动化等多个领域,多学科交叉、融合的特点明显,从基础研发到工程化应用的创新链也很长,但目前应用端与核心材料、器件分离,无法形成利益共同体,缺乏对全产业链的顶层设计、系统布局,以及一体化整体实施。

(4) 产业体系未建立,整体创新环境较差

在第三代半导体产业具有爆发性增长潜力的应用领域,例如5G移动通信、电动汽车等,与国外相关产业和市场的差距还比较明显,落后程度甚于技术层面的落后程度。在标准、检测、认证等方面的行业规则、办事程序和现有的体制等与新材料产业发展规律和特点不相匹配,尚未解决材料“能用-可用-好用”发展过程中的问题和障碍。

2.发展趋势

第三代半导体技术有许多不可替代的优越性质,正处于研究和产业化的高速发展过程当中,产业需求驱动技术创新、应用研究需求驱动基础研究的特征非常明显。

光电子基础与前沿技术将持续突破,超越照明成重要趋势。半导体照明在过去10多年已形成完整的高技术产业,目前正由光效的技术推动向成本和品质的应用拉动转变,LED发光技术已突破传统的照明概念,沿长波方向已从蓝光拓宽到绿光、黄光、红光,开拓在生物、农业、医疗、保健、航空、航天和通信等领域应用;沿短波方向已发展高效节能、环境友好、智能化的紫外光源,期望逐步取代电真空紫外光源,开启紫外技术和应用的变革。固态紫外器件的实用化,还需要在InGaN、GaN等紫外发光材料和以SiC、GaN为代表的紫外探测材料,以及关键制备工艺、封装材料等方面的技术突破。

可靠性和低成本是电力电子努力的方向。作为新一代能源技术革命,SiC和GaN电力电子器件在电源转换、逆变器等应用中已经具有技术和综合成本优势,规模化生产促进价格进一步下降,将在中小功率市场快速启动,尤其在充电桩、汽车电子、光伏逆变、电源转换等领域。但目前在技术成熟度待提高、批量化生产能力、全产业链的配套能力、测试评价方法、优化的应用解决方案等方面还存在问题,需要在长期可靠性和低成本方面继续努力。SiC器件的高耐压、大电流、高可靠和GaN与Si兼容的 IC集成化发展将成为未来趋势。

高频和带宽是移动通信技术发展核心和主要挑战。现有主流Si 基横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术受工作频率限制(低于3GHz),且宽带窄、效率增益提升已接近极限,无法满足未来5G系统的应用需求,而GaAs则受到输出功率的限制(低于50W)无法满足高频大功率需求。业界公认GaN功率放大器将成为移动通信基站的主流技术,正向高频率、大带宽、高效率快速演进,应用将全面启动,行业龙头大举进入,市场格局将面临重新洗牌。但目前在高频器件的设计、制备与测试,GaN射频器件的散热技术、增益提升、高度集成化等方面需要突破,是未来产业化的焦点。另外在6GHz以下低频及射频能量应用领域,Si基GaN射频器件表现出了良好的性价比,正成为产业化热点,特别是在射频能量应用领域,通过采用可控的电磁辐射来源加热物品或为各种工序提供动能,现阶段主要采用磁控管,Si基GaN射频器件可实现高功率输出(300W以上)、低电压驱动、小尺寸高可靠的解决方案,未来将围绕全固态射频半导体形成新的产业链和应用市场。

第三代半导体材料将持续引发关注。第三代半导体材料体系在不断演进与发展,如铟镓锌氧化物半导体(IGZO)作为一种宽禁带半导体,IGZO-TFT 背板具有大尺寸、超高清(UHD)、超低功耗特点,有望取代目前α-Si TFT-LCD液晶显示技术,还有望用于有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)等新型显示领域,苹果公司计划在2017年MacBook Pro产品中采用。另外宽禁带复杂氧化物、氮化硼等材料也在逐渐步入应用视野,MoS2、二维GaN等二维材料特性作为前沿性、基础性研究也引起了广泛关注。第三代半导体材料所具有的独特性能,面对新时代、新环境、新需求,有望突破传统半导体技术的瓶颈,开拓新技术应用领域,与第一代、第二代半导体技术互补,对经济社会发展将发挥重要的推动作用。

绿色低碳发展已经成为全球的共识,中国已经成为目前全球最大的半导体照明产品的生产基地和消费市场,在光电子、电力电子、微波射频等领域还有巨大的科技创新和产业化机会。但相对于美国、日本等国家在核心材料、芯片方面的长期积累,中国第三代半导体产业发展面临极大的挑战。第三代半导体产业属于技术和资金双密集型产业,特别是SiC和GaN材料和芯片大量应用于军事领域,中国在技术和人才方面将面临国外的部分封锁,在美国政府以“国家安全”为由阻止金沙江收购Lumiled、宏芯投资基金收购德国Aixtron后,2016年10月31日,美国总统科学和技术顾问委员会(PCAST)宣布成立一个新的工作组,将专注于半导体行业所面临的核心挑战,提出加强行业和维护美国在全球领导地位的建议。2017年1月6日,美国白宫发表报告《给总统的报告:维持美国在半导体行业的领军地位》称,中国的半导体技术发展已经威胁到了美国的芯片制造商和美国的国家安全,并建议对中国芯片产业采取更严密的审查,这些都显示了中国企业在美国高科技领域所面临的重重障碍以及美国在高科技领域对中国的封锁。

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