手机快充、5G通讯、新能源车,谁是第三代半导体最大应用市场?

手机快充、5G通讯、新能源车,谁是第三代半导体最大应用市场?
2022年08月12日 19:03 时代周报

本文来源:时代周报 作者:杨玲玲

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体正成为科技产业竞逐的新战场。

在智能汽车和清洁能源发展浪潮下,碳化硅迎来黄金10年,业界在成本、可靠性等方面持续钻研以加速应用进程;而被称为“神奇材料”的氮化镓,则在5G、快充、Mini/Micro LED中尽显风采。

根据TrendForce集邦咨询预测,2022年全球碳化硅功率元件市场规模将达到15.89亿美元,并有望在2026年攀升至53.02亿美元,年复合增长率35%;氮化镓功率元件市场规模预计将在2022年达到2.61亿美元,并在2026年增长至17.68亿美元,年复合增长率将达61%。

一名半导体行业人士告诉时代周报记者,第三代半导体不是第一代和第二代半导体的升级,它们是并存关系,各有各的应用场景和优势。

第一代半导体以硅材料为主,如高通的骁龙芯片、华为的麒麟芯片,主要用于手机、电脑、电视等终端;第二代半导体以砷化镓、锑化铟为代表,主要是功率放大,用于卫星通讯、移动通讯、导航等领域;第三代半导体以氮化镓、碳化硅为代表,手机快充、新能源车、5G通讯和光伏储能等是其典型运用场景。

从整体产值规模来看,第三代半导体目前还是一个小众市场,当今半导体市场90%仍然是以硅材料为代表的第一代半导体为主,第二代、第三代半导体市场占比加起来不过10%。

“虽然第三代半导体的市场份额还比较小,但是增长空间巨大。”集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄告诉时代周报记者,中国具有广阔的应用场景,且第三代半导体对设备制程的要求并不算高,国内外在技术上的差距也在不断缩小。

图源:图虫创意

碳化硅“上车”热潮

第三代半导体产业链主要包含衬底、外延材料、器件设计、制造、模块和应用等几个环节。

在碳化硅领域,由于技术壁垒较高,需要企业拥有8-10年的技术沉淀和积累,目前全球市场主要由国外企业主导。

8月9日,全球最大碳化硅供应商(占据60%以上市场份额)Wolfspeed的中国区销售与市场副总裁张三岭告诉时代周报记者,今年4月,Wolfspeed全球首座8英寸(200mm)SiC工厂正式开业,该工厂预计2024年达产,届时产能将达2017年的30倍。

国内碳化硅产业也在快速崛起,一批优秀企业逐步掌握2-6英寸碳化硅晶片的制造工艺,将中国与其他国家的技术差距缩小至3-5年。

时代周报记者统计发现,国内在碳化硅各环节涌现出不少代表性企业,如衬底环节厂商包括天岳先进、天科合达等; 外延厂商包括瀚天天成、东莞天域等; 设计厂商包括上海瞻芯电子、上海瀚薪等; IDM厂商则有三安光电、泰科天润等。

目前,碳化硅主要应用于新能源汽车、轨道交通、光伏发电、工业电源等领域,其中尤以新能源汽车为典型应用。

“电动汽车中需要使用碳化硅器件的装置包括汽车空调、DC/AC主逆变器、OBC车载充电器、DC/DC变换器、汽车空调。目前,知名车企纷纷布局碳化硅,采用碳化硅器件可以让电机控制器的功率密度和效率得到大幅提升,体积可以减少30%-40%,重量随之减轻,转换效率平均约有5%的提升。”8月9日,基本半导体技术营销副总监刘诚介绍称。

值得一提的是,由于硅工艺已非常成熟,碳化硅的单个器件成本可能是硅器件成本的数倍,并不具备优势。

“从汽车来说,(碳化硅器件相较于硅器件)单个成本可能高达两倍左右,但是碳化硅器件降低了系统性成本,比如应用到汽车上可以减轻汽车相关组件的体积、提高效率,进而缩小电池成本,所以从整车系统看,成本还是下降的。”龚瑞骄向时代周报记者解释称。

目前,特斯拉、比亚迪等车企已经开始将碳化硅应用于其新能源汽车的主控电路中。

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氮化镓快充受宠

氮化镓因为生长速率慢、反应副产物多、生产工艺复杂,一般不直接作为衬底材料应用,而是需要以蓝宝石、硅、碳化硅作为衬底,通过外延生长制造器件。

氮化硅领域,目前国内相对领先的企业有英诺赛科、苏州能讯等,快充是其较为典型的应用场景之一。

比如,华为、小米、OPPO、vivo等手机企业所推出的120W、150W甚至200W快充技术,正是基于氮化镓材料打造。

在充电上较为保守的苹果也在引入氮化镓产品。日前,Apple Store上架了两款 mophie 出品的氮化镓充电器,输出功率分别为30W和67W,两款充电器采用的是英诺赛科的氮化镓功率器件。

据介绍,英诺赛科自建有8英寸硅基氮化镓功率器件量产线,涵盖40V到650V全电压产品,8英寸硅基氮化镓晶圆的月产能已达10000片,截至2022年上半年,该公司氮化镓芯片出货量突破8000万颗。

氮化镓在LED照明产业也取得了比较大的突破,采用氮化镓技术,不但有效解决散热问题,还能使单位面积亮度提升数倍。

据晶能光电外延工艺经理周名兵介绍,Micro LED将在AR/VR、抬头显示、车用照明和显示、消费电子、高端电视等领域得到广泛应用,并正在开启一个千亿级的市场。

“8英寸及以上的硅衬底氮化镓方案是兼容Micro LED和类IC制程的重要途径。晶能光电长期耕耘具有自主知识产权的硅衬底LED产业化技术,并已得到应用市场的高度认可。”周名兵说道。

除此之外,氮化镓还可以帮助数据中心解决能耗问题。英诺赛科产品应用总监邹艳波称:“近年,数据中心是数字世界的基础建设,随着数字化进程加快,能耗也是惊人的,预估2030年数据中心的耗电量会达到3000Twhr,相当于全球能耗的10%。”

针对这一情况,英诺赛科基于氮化镓开发出下一代数据中心供电系统。邹艳波表示,数据中心的供电架构,从前端到DC/DC到芯片的供电,可以全链路采用氮化镓的解决方案提升链路的功率密度和效率。

“整体效率可以达到5个点的提升,这将带来很大的社会效益,如果2030年数据中心的能耗是3000Twhr,我们基于5%的提升,带来电能的节省相当于1.5个三峡电站的节能。”邹艳波说。

仍有难题待解

“虽然消费电子等终端市场需求有所下滑,但应用于功率元件的第三代半导体在各领域的渗透率呈现持续攀升之势,其中,800V汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器、数据中心及通讯基站电源等领域的快速发展,推升2022年碳化硅和氮化镓功率半导体市场需求。”龚瑞骄表示。

图源:图虫创意

对于第三代半导体企业来说,成本和可靠性是当前无法回避的挑战,产业链的各个环节也在想方设法降本增效、提升良率。多名从业者向时代周报记者表示,随着量产推进,成本将逐渐下降。

“这个领域差距比较小,中国又坐拥全球最大的应用市场,未来完全有可能取得领先优势。”多名业内人士称,所谓的第三代半导体,产业链相比硅基更能自主可控。

核心原因在于,第三代半导体不需要非常先进的制程,与动不动就采用5纳米甚至3纳米的硅基半导体技术相比,它们远未达到几纳米级别,都在100纳米以上。所以,并不需要像荷兰ASML那种特别尖端的光刻机。

行业人士认为,第三代半导体在技术层面的瓶颈,国内外的实验室能够进行技术攻关,但是最关键的在于量产,这就涉及到团队的生产经验、人才构成等因素。

泰科天润应用测试中心主任高远称,在浏览招聘网站时看到,一个碳化硅研发总监的岗位,要求8年以上的功率碳化硅半导体芯片研发经验,2年以上车用碳化硅的开发经验,还要熟悉半导体开发流程所需的工具和资源。“这个是非常难的”。

高远称,国内碳化硅产业布局很多,但人才供不应求,碳化硅器件厂商需要其内部各部门、上下游各环节协同发展才能不断前进,这一点往往没有引起足够重视。

“突破材料瓶颈和工艺技术瓶颈需要一定的时间。但可以期待的是,在全球、全产业链的共同推动下,第三代半导体将在技术、产品、应用等方面持续发力。”龚瑞骄说道。

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