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        第三代半導體帶來的機遇與挑戰

        文章作者:puxingdz 上傳更新:2019-10-09
        來源:CEF中電展、半導體行業觀察

        相比第1代與第2代半導體材料,第3代半導體材料是具有較大禁帶寬度(禁帶寬度>2.2eV)的半導體材料。第3代半導體主要包括碳化硅(SiC)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、金剛石、氧化鋅(ZnO),其中,發展較為成熟的是SiC和GaN。第3代半導體材料在導熱率、抗輻射能力、擊穿電場、電子飽和速率等方面優點突出,因此更使用于高溫、高頻、抗輻射的場合。

        隨著SiC、GaN器件的制備工藝逐步成熟,其生產成本也在不斷降低,第3代半導體正以其優良的性能突破傳統硅基材料的瓶頸,逐步進入硅基半導體市場,有望引領新一輪產業革命。因此,世界各國紛紛開始制定計劃,大力發展第3代半導體產業。

        隨著以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料(即第三代半導體材料)設備、制造工藝與器件物理的迅速發展,SiC和GaN基的電力電子器件逐漸成為功率半導體器件的重要發展方向。第三代半導體功率器件以更高的擊穿電壓、更高的熱導率、更高的電子飽和漂移速率和更高的抗輻射能力開始在軍事、航空航天等領域嶄露頭角。

        本文將從第三代半導體材料性能應用、行業翹楚及市場并購、各國發展戰略以及中國力量與思考多個角度淺析第三代半導體功率器件市場。

        01

        第三代半導體性能及應用

        半導體產業發展至今經歷了三個階段,第一代半導體材料以硅(Si)為代表。第二代半導體材料砷化鎵(GaAs)也已經廣泛應用。而以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)等寬禁帶為代表的第三代半導體材料,相較前兩代產品,性能優勢顯著并受到業內的廣泛好評。第三代半導體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點,因此也被業內譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產業的“新發動機”。發展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN,其中SiC的發展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些參數如下圖所示:

        可見,SiC和GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs,相應的本征載流子濃度小于Si和GaAs,寬禁帶半導體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大于Si和GaAs。以SiC為例,其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

        產品被市場所接受,價格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑,但成本還是比硅產品高,在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下,大約會比硅產品貴5~6倍,因此,現階段只能從要求高性能、且對價格不是很敏感的應用開始來取代硅產品,例如汽車、汽車充電樁、太陽能等。要取代硅制產品,SiC還是有很大的發展空間的。當SiC的成本能降到硅的2~3倍的時候,應該會形成很大的市場規模。到2020年,EV汽車大規模推出的時候,SiC市場會有爆發式的增長。

        在應用方面,根據第三代半導體的發展情況,其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域,每個領域產業成熟度各不相同,如下圖所示。在前沿研究領域,寬禁帶半導體還處于實驗室研發階段。

        下面,我們重點關注一下其在功率管理方面的應用情況。許多公司開始研發SiC MOSFET,領先企業包括包括英飛凌(Infineon)、科銳(Cree)旗下的Wolfspeed、羅姆(ROHM)、意法半導體(STMicroelctronics)、三菱和通用電氣等。與此相反,進入GaN市場中的玩家較少,起步較晚。

        SiC和GaN商業化功率器件發展歷程

        SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成,市場規模約在2.1億~2.4億美金之間。而據Yole最新預測,SiC市場規模在2021年將上漲到5.5億美金,這期間的復合年均增長率預計將達19%。目前,全球有超過30家公司在電力電子領域擁有SiC、GaN相關產品的生產、設計、制造和銷售能力。2016年SiC無論在襯底材料、器件還是在應用方面,均有很大進展,已經開發出耐壓水平超過20KV的IGBT樣片。

        消耗大量二極管的功率因素校正(PFC)電源市場,仍將是SiC功率半導體最主要的應用。緊隨PFC電源市場之后的應用領域是光伏逆變器。目前,許多光伏逆變器制造商將SiC二極管和MOSFET應用于他們的產品之中。SiC二極管的應用能夠為光伏逆變器提供諸多性能優勢,包括提高效率、降低尺寸和重量等。此外,SiC二極管能在一定功率范圍內降低系統成本。

        SiC器件市場發展趨勢

        02

        行業翹楚及市場并購

        根據Yole地統計,目前行業的龍頭,Infineon和Cree兩家公司,已經占據了整個SiC市場份額68%。緊隨其后的便是ROHM和STMicroelctronics。

        在SiC市場,Infineon 和 Cree一直是業界領先的企業

        目前,這兩家公司都把目光放在如何實現將SiC器件集成到功率組件和轉換器上的工業化應用問題,同時也能為這些SiC器件系統提供經特別設計的封裝。Infineon公司已經具備了開發用于SiC器件功率組件所需的技術基礎。

        除了Infineon和Cree外,日本的ROHM也是在SiC功率器件研發方面有大投入的公司。

        由于SiC功率器件可顯著減少功率轉換損耗,2010年,ROHM率先宣布量產SiC MOSFET產品,開始了這一產品的市場化進程。與其他SiC廠商相比,ROHM的優勢在于一條龍的生產體制。2009年,ROHM收購了SiCrystal公司,它是一家專門做SiC材料的德國企業,有了它提供材料,ROHM會在德國完成晶圓,然后在日本的福岡、京都做芯片的封裝和SiC模組,據悉,ROHM是全球唯一一家可以實現一條龍生產的SiC廠商。其產品電壓為650V和1200V,今后還會推出1700V甚至更高電壓的產品,主要針對鐵路、太陽能、風能等應用。

        太陽能和風能功率產品的最大區別在于,太陽能通常有1200V就可以了,而風能必須要1700V,甚至3300V。家用車一般為650V,大巴需要1200V,高鐵則可能需要1700V或3300V以上。降低芯片尺寸;或是在同樣芯片尺寸的情況下,降低導通電阻,都是各巨頭的攻關方向。

        2016年的半導體領域并購案中,直接涉及第三代半導體的有4項,涉及交易金額達100億美元。其中以Infineon收購Cree分拆的Wolfspeed對產業格局影響最大,如果能夠成功收購Wolfspeed的話,Infineon將在原有的基礎上進一步壯大,會成為全球排名第一的SiC功率器件供應商。但該項交易于2017年2月16日,因為美國外國投資委員會(CFIUS)關注的國家安全問題而被迫中止。

        資料來源:CASA整理

        在模擬、特別是功率并購市場,Infineon一直扮演著急先鋒的角色。為擴大功率半導體業務,該公司于2015年初,用大約30億美元收購了功率半導體元件和功率管理IC廠商——美國國際整流器(IR)公司,這是英飛凌公司史上最大規模的收購案。英飛凌多年以來一直是功率半導體行業規模最大的廠商,通過收購IR,其全球市場份額進一步提升,達到20%。

        2015年,Infineon還并購了韓國企業LS Power Semitech的股權,收購了專注于駕駛輔助系統的PCB制造商Schweizer Electronic and TTTech的股權,以及與松下就未來的GaN技術開展合作等戰略性收購和合作項目,其在模擬,特別是功率業務方面的拓展動作頻頻。

        為什么會這樣呢?一方面是基于大的產業環境,這些年全球半導體產業增長乏力,甚至出現了負增長,廠商利潤率下降明顯,像英飛凌這樣有一定規模和實力的廠商則面向具有巨大增長潛力的物聯網、車聯網、5G等市場,基于自身的技術優勢,尋求資產的優化整合,以豐富、加強自身的產品線,擴大產品組合,增強企業的抗風險能力,通過合并推動營收增長,贏得更多的市場份額。

        另一方面,頻繁并購也是基于企業充足的現金儲備,英飛凌2015年的財報表現優異,收入達到58億歐元,同比增長34%。其4大業務部門(汽車電子、電源管理及多元化市場、工業功率控制、智能卡與安全)均有不俗表現,基于此,英飛凌曾經表示,會將并購行動當作企業未來發展和強化自身實力的重要策略。

        縱觀近幾年中國半導體的發展,借助產業扶持基金進行海外收購已經成為提升我國產業實力的有力武器。但考慮到第三代半導體產業的資金和技術雙密集屬性,特別是SiC和GaN材料和芯片大量應用于軍事領域,海外收購第三代半導體相關技術和公司將會越來越困難。美國政府以“國家安全”為由阻止金沙江收購Lumiled、宏芯投資基金收購德國Aixtron就是其佐證。仙童半導體于2015年12月拒絕了中國投資財團第一次提出的收購方案,但隨后于2016年1月5日宣布,將考慮華潤微電子與華創投資的修訂方案。

        在新方案中,中國資本愿以每股21.70美元的現金收購仙童,這一價格遠遠高于安森美提出的每股20美元。遺憾的是,由于美國政府對中國企業并購的限制,中國人的高價橄欖枝并沒有獲得通行證,仙童在拒絕了英飛凌,ST之后,還是選擇了同在美國的安森美,讓后者躍居功率半導體二當家!

        03

        各國的SiC戰略

        第三代半導體材料引發全球矚目,并成為半導體技術研究前沿和產業競爭焦點,美、日、歐等國都在積極進行戰略部署。作為電力電子器件,SiC器件在低壓領域如高端的白色家電、電動汽車等由于成本因素,逐漸失去了競爭力。但在高壓領域,如高速列車、風力發電以及智能電網等,SiC具有不可替代性的優勢。

        SiC材料與電力電子器件的發展 (數據來源:賽迪智庫整理)

        美國等發達國家為了搶占第三代半導體技術的戰略制高點,通過國家級創新中心、協同創新中心、聯合研發等形式,將企業、高校、研究機構及相關政府部門等有機地聯合在一起,實現第三代半導體技術的加速進步,引領、加速并搶占全球第三代半導體市場。

        例如,美國國家宇航局(NASA)、國防部先進研究計劃署(DARPA)等機構通過研發資助、購買訂單等方式,開展SiC、GaN研發、生產與器件研制;韓國方面,在政府相關機構主導下,重點圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質量SiC單晶生長、高質量SiC外延材料生長這4個方面,開展研發項目。在功率器件方面,韓國還啟動了功率電子的國家項目,重點圍繞Si基GaN和SiC。

        美國等發達國家2016年第三代半導體材料相關部分政策措施如下圖所示:

        資料來源:CASA整理

        04

        中國的力量與思考

        我國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚,水平較低,阻礙國內第三代半導體研究進展的重要因素是原始創新問題。國內新材料領域的科研院所和相關生產企業大都急功近利,難以容忍長期“只投入,不產出”的現狀。因此,以第三代半導體材料為代表的新材料原始創新舉步維艱。

        但與此同時政府也在積極推進,國家和各地方政府陸續推出政策和產業扶持基金發展第三代半導體相關產業:地方政策在2016年大量出臺,福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區出臺第三代半導體相關政策(不包括LED)近30條。一方面多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關規劃,另一方面不少地方政府有針對性對當地具有一定優勢的SiC和GaN材料企業進行扶持。福建省更是計劃投入500億,成立專門的安芯基金來建設第三代半導體產業集群。

        我國多家半導體廠商也在積極布局SiC和GaN器件,華潤華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業。曾經距離收購仙童半導體那么近,可以看出華潤微電子在布局先進功率器件方面的決心和力度。華潤華晶微電子是華潤微電子旗下從事半導體分立器件的國家高新技術企業,在國內,其功率器件的規模和品牌具有一定優勢。華虹宏力則是業內首個擁有深溝槽超級結(Deep Trench Super Junction,DT-SJ)及場截止型IGBT(Field Stop,FS IGBT)工藝平臺的200mm代工廠。中國企業已經具備一定規模。

        從分析中不難看出:

        縱觀全球功率器件市場,機遇與挑戰并存。全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大,占有全球SiC產量的70%~80%;歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈,在全球電力電子市場擁有強大的話語權;日本是設備和模塊開發方面的絕對領先者。我國由于在LED方面已經接近國際先進水平,為第三代半導體在其它方面的技術研發和產業應用打下了一定的基礎。

        對比美歐日等發達國家,中國可以在以下幾個方面做出更大努力:

        1.集中優勢資源扶持龍頭企業和研究機構。在我國SiC領域本身就不具備優勢的情況下,國家和地方的投資基金卻又很分散的投入到很多企業里面去,大大分散本來就不足的研發投入,難以形成規模效應。

        2.公共研發平臺的參與。第三代半導體涉及多個學科、跨領域的技術和應用。很多基礎性研發不是企業能夠解決的。國內的研究院所大多按照領域劃分,也很難形成跨領域、多學科合作。可以以國家項目形式組織多個研究院所共同攻克基礎技術。

        3.產業規劃先行。借助行業協會的力量,先行規劃產業發展線路,在標準、檢測、認證等方面內容。是產業發展更趨合理性和指導性。解決現行標準、檢測、認證等規則、程序和新材料產業發展特點不匹配之處。

        中國在第三代半導體材料方面要彎道超車還是受制于人?這是廣大從業者最關注的問題。

         
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