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今年，雙碳成為主旋律，隨著“碳中和”時代來臨，以SiC、GaN為主的第三代半導(dǎo)體將在新型顯示、新能源汽車、5G、光伏儲能等下游應(yīng)用市場迎來發(fā)展機遇，受益于這些下游應(yīng)用領(lǐng)域需求的增加，以及國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策的推動，中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也正在爆發(fā)巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
日前，在TrendForce集邦咨詢主辦的化合物半導(dǎo)體新應(yīng)用前瞻分析會上，來自北京大學(xué)教授，寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波教授，以及Wolfspeed、羅姆、英諾賽科等化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的代表就相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行了深入探討。
國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和趨勢
沈波指出，第三代半導(dǎo)體材料和芯片在我國新基建等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如5G基站、充電樁、新能源的驅(qū)動、特高壓、軌道交通等都跟第三代半導(dǎo)體密切相關(guān)。而中國制造2025中相當(dāng)一部分產(chǎn)業(yè)也和第三代半導(dǎo)體有關(guān)。
射頻電子、功率電子和光電子是第三代半導(dǎo)體的主要應(yīng)用領(lǐng)域。沈波表示，GaN基半導(dǎo)體在射頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用是從軍用雷達(dá)開始的，而5G移動通訊的興起則推動了GaN基射頻電子器件的民口應(yīng)用。
在功率電子方面，第三代半導(dǎo)體在新能源汽車、軌道交通和高效通用電源等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用，特別是新能源汽車、通用電源市場巨大，雖然目前還是以硅功率器件為主，但第三代半導(dǎo)體器件已經(jīng)開始在應(yīng)用。
光電子是目前第三代半導(dǎo)體中產(chǎn)能規(guī)模最大的應(yīng)用，包括照明、顯示、紫外光源等。其中半導(dǎo)體照明在中國的替代率已經(jīng)接近40%，位居世界前列。除了照明，還有醫(yī)療健康的紫外殺菌固態(tài)光源；在顯示方面，LED屏、Mini LED、Micro LED的新型顯示、激光顯示等都用到GaN基光源。
沈波表示，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體從研發(fā)到應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入一個跨越階段，雖然現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了一定量的產(chǎn)業(yè)化，但是依然還存在很多問題和挑戰(zhàn)，處于研發(fā)和規(guī)模化量產(chǎn)跨越的階段，其特征就是資本加速布局，產(chǎn)能逐漸提升。
從市場趨勢看，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體目前還是以半導(dǎo)體照明為主，功率電子和射頻電子總產(chǎn)值只有100多億，但增長很快，增長率超過50%。此外，受到國家十四五的拉動，5G、新能源汽車、充電樁、數(shù)據(jù)中心、快充等行業(yè)的規(guī)模發(fā)展預(yù)期非?？?，相關(guān)電子材料和器件的市場規(guī)模未來很有可能和半導(dǎo)體照明并駕齊驅(qū)。
在SiC襯底材料方面，目前國內(nèi)已經(jīng)有30多家企業(yè)。沈波表示，目前國內(nèi)的SiC襯底4英寸已經(jīng)比較成熟，6英寸導(dǎo)電型的襯底也已經(jīng)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但是8英寸襯底還有一定的問題。在SiC功率電子方面。
目前國際上已經(jīng)完成了多代迭代，雖然8英寸的技術(shù)還沒投入量產(chǎn)，但是6英寸已經(jīng)是主流。在車規(guī)級的SiC模塊上，在ST率先通過認(rèn)證后，包括羅姆、英飛凌、科銳等也已經(jīng)通過了認(rèn)證，國際車規(guī)級的SiC產(chǎn)品已經(jīng)逐漸走向成熟。反觀國內(nèi)，真正量產(chǎn)的主要還是二極管，MOSFET還在量產(chǎn)導(dǎo)入的前期，車規(guī)級還要等待更長時間才能真正實現(xiàn)量產(chǎn)。
沈波表示，中央和地方政府已經(jīng)意識到第三代半導(dǎo)體的重要性，安排了多個國家和地方科技計劃推動第三代半導(dǎo)體材料、芯片和應(yīng)用的研究和產(chǎn)業(yè)化。
如果說，我國十三五期間已經(jīng)解決了從無到有的問題，那么十四五的目標(biāo)主要是解決用的問題和卡脖子問題，實現(xiàn)第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈能力和水平的顯著提升。
熱點應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展
從國內(nèi)第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用看，電動汽車無疑是最大的市場之一。Wolfspeed華南區(qū)銷售總監(jiān)柯鴻彬表示，主驅(qū)、OBC、DCDC，以及熱泵空調(diào)都是SiC的主要市場，并且國內(nèi)一些車廠在SiC主驅(qū)逆變器和全車SiC的應(yīng)用上非常快，甚至超過歐美。另外，光伏和儲能、快速充電充電樁，以及服務(wù)器電源、通信電源、軌道交通和變頻器都是未來SiC的主要市場。
市場調(diào)研機構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，電動汽車尤其是插電式汽車將有一個快速的增長，預(yù)測到2027年的年復(fù)合增長率達(dá)到25.8%。羅姆高級工程師羅魁表示，在這一應(yīng)用中，利用SiC能提高效率，減少冷卻系統(tǒng)的尺寸、簡化設(shè)計并耐高壓，通過這些特性，可以解決電動汽車現(xiàn)在的痛點，增加續(xù)航里程。
從實際導(dǎo)入情況看，目前在汽車應(yīng)用中真正量產(chǎn)SiC主要是OBC和DCDC。羅魁表示，SiC方案的價格較高，目前部分客戶難以接受，針對這個情況，羅姆推出的折中方案，是混合IGBT的方案。其原理是將IGBT中的一個二極管，由傳統(tǒng)的硅變成SiC，混合IGBT方案兼顧了成本和效率。目前，業(yè)界有幾家企業(yè)在做混合IGBT方案，羅姆的方案已經(jīng)推向了市場。
隨著Mini LED、Micro LED顯示技術(shù)進(jìn)程的發(fā)展，硅襯底GaN的應(yīng)用有望升級。晶能光電外延研發(fā)經(jīng)理郭嘯表示，全球LED顯示屏市場從2021年到2025年，復(fù)合增長率將達(dá)到18.8%，到2025年將達(dá)到千億級別，其中小間距的復(fù)合增長率達(dá)到19%，微間距的復(fù)合增長率達(dá)到75%。
據(jù)郭嘯介紹，目前RGB Mini LED顯示屏的的實現(xiàn)方案主要有三種：第一種是水平方案，藍(lán)綠用普通的TS芯片，紅光用垂直芯片。第二種是垂直方案，紅、藍(lán)、綠都可以用垂直芯片，其中綠光和藍(lán)光用的是硅襯底的垂直芯片。第三種方案是倒裝方案，紅、藍(lán)、綠都用倒裝的芯片。
三種方案比較而言，在P1.25~P0.9mm范圍，主要以1010方案為主，普通的TS方案因為價格比較低，占據(jù)主流中低端市場，而垂直方案和倒裝方案競爭高端市場。垂直mini芯片方案封裝工藝成熟度高，現(xiàn)有封裝設(shè)備可以完全通用，倒裝mini需要增加大批的設(shè)備，因此垂直mini方案成本只有倒裝mini方案的一半。
在更小的P0.9~P0.6mm范圍，普通的TS方案很難保證良率及突破物理空間的極限限制，只有垂直和倒裝方案能滿足要求。其中垂直mini方案比倒裝mini方案成本更低；對于最小的P0.6~P0.3mm的間距，普通的藍(lán)寶石倒裝方案在此尺寸工藝較有挑戰(zhàn)性，而基于硅襯底的GaN薄膜LED倒裝芯片通過去除硅襯底，在兩個PAD蒸發(fā)20um左右高度的錫柱，可制成3~5um厚度的薄膜芯片，在芯片良率和貼片良率方面更有優(yōu)勢。
Micro LED具有低功耗、高對比度、高亮度、超高解析度和色彩飽和度、高刷新率、壽命長、穩(wěn)定性好、寬色域、寬視角、透明性、無縫銜接等特點，但也存在一些難題，包括巨量轉(zhuǎn)移、巨量修復(fù)、巨量檢測、全色顯示、高成本等。
郭嘯表示，相對于成熟的OLED面板，Micro LED的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化還面臨一定的困難。Micro LED的一個主流技術(shù)路線是利用硅襯底GaN LED上的濕法去襯底技術(shù)來保證制程良率，并且由于硅襯底GaN與硅半導(dǎo)體晶圓的工藝兼容性，可以最大效用成熟的硅半導(dǎo)體制程。晶能光電優(yōu)先著力無巨量轉(zhuǎn)移高PPI的Micro LED光引擎開發(fā)，硅基GaN LED與硅基CMOS驅(qū)動背板進(jìn)行晶圓級邦定，應(yīng)用于AR、VR、HUD、HMD等方向。
華燦光電副總裁王江波表示，Micro LED的商業(yè)化進(jìn)程會有兩個方向：一個是大屏幕，包括電視、顯示屏；另一個是小屏幕，如可穿戴、AR、VR。Micro LED有很多技術(shù)的挑戰(zhàn)，從外延材料到芯片加工、轉(zhuǎn)移、全彩化、控制、修復(fù)等等，整個產(chǎn)業(yè)鏈需要上下游一起聯(lián)合開發(fā)來共同攻關(guān)解決包括良率、光效、以及小電流注入等問題。
英諾賽科高級經(jīng)理賀鵬認(rèn)為，就GaN未來市場的應(yīng)用機會而言，除了已經(jīng)大規(guī)模出貨的消費電子，在智慧照明、機電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)中心、智能電動和智能光儲上將有廣泛的應(yīng)用。在11月月22號，國家工信部和市場總局聯(lián)合印發(fā)電機能效提升計劃（2021—2023年）的通知，以助力實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)。該計劃提出到2023年，高效能電機量產(chǎn)達(dá)到1.7億kWh，在役高效節(jié)能電機占比達(dá)到20%以上，實現(xiàn)年階電量490億kWh，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1500萬噸，減排二氧化碳2800萬噸。
賀鵬認(rèn)為，該計劃中有三點值得關(guān)注，首先是計劃中對電機系統(tǒng)的產(chǎn)品做了一個羅列，包括風(fēng)機和水泵，另外計劃中反復(fù)提出高效能電機系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)，第三點是電機系統(tǒng)的一體化設(shè)計。而這些都是GaN可以發(fā)揮價值的應(yīng)用。
AIXTRON（愛思強）副總經(jīng)理方子文表示，SiC和GaN是一個非常大的市場，也是在和硅直接做競爭的市場，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈上下游的配合，不光只是在性能上，在量產(chǎn)、終端客戶驗證上也都需要很好的配合，才能讓SiC、GaN最終實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
全球最主要的功率半導(dǎo)體廠商基本上都是IDM模式，集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕認(rèn)為，這主要是基于兩個原因，一是功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)高度定制化，需要設(shè)計與制造的高度協(xié)同；二是功率半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)擁有非常高的附加值，這也是IDM模式的原因。
相對硅來說，SiC和GaN提高了電源開關(guān)轉(zhuǎn)換效率，并且能夠降低損耗，因此能夠促進(jìn)終端設(shè)備的節(jié)能提效，這也是實現(xiàn)碳中和的一個重要方式。另外，在國家構(gòu)建新型電力系統(tǒng)規(guī)劃中，涉及到寬禁帶半導(dǎo)體。
市場投資已經(jīng)反映出寬禁帶半導(dǎo)體的前景。據(jù)集邦咨詢統(tǒng)計，去年整個寬禁帶半導(dǎo)體的投資規(guī)模達(dá)到了709億，比上一年翻了一倍多；融資方面，今年有很多SiC和GaN的廠商獲得了融資，如SiC領(lǐng)域的泰科天潤、同光晶體等，GaN領(lǐng)域也有眾多公司獲投。
集邦咨詢預(yù)測，全球SiC功率市場規(guī)模將從2020年的6.8億美元增長到2025年的33.9億美元，其中新能源汽車將成為最主要的驅(qū)動力，SiC將在主逆變器、OBC、DCDC中取得主要的應(yīng)用，另外在車外的充電樁和光伏儲能領(lǐng)域有很大的應(yīng)用。
在GaN的市場，整個市場規(guī)模將會從2020年的4800萬美元增長到2025年的13.2億美元。除了消費電子，新能源汽車、電信以及數(shù)據(jù)中心也將成為規(guī)模市場。不過，目前GaN還處于一個初期階段，在消費市場有快速放量，龔瑞驕認(rèn)為GaN需要從消費電子做一個過渡，反復(fù)驗證它的可靠性，然后建立一個產(chǎn)能和生態(tài)的格局，方便以后推向工業(yè)級以及車規(guī)級。
