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第三代半导体带来的机遇与挑战

文章作者:puxingdz 上传更新:2019-03-12
资料来源:CEF中国电器展,半导体行业观察

与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体材料是具有大的禁带宽度(禁带宽度> 2.2eV)的半导体材料。第三代半导体主要包括碳化硅(SiC),氮化铝(AlN),氮化镓(GaN),金刚石和氧化锌(ZnO)。其中,SiC和GaN更为成熟。第三代半导体材料在导热性,耐辐射性,击穿电场和电子饱和率方面具有突出的优点。因此,它们用于高温,高频和抗辐射应用。

随着SiC和GaN器件的制备工艺的成熟,生产成本也在降低。第三代半导体以其优异的性能突破传统硅基材料的瓶颈,逐步进入硅基半导体市场,有望引领新一轮。工业革命。因此,世界各国已经开始制定大力发展第三代半导体产业的计划。

随着以SiC和GaN为代表的宽带隙半导体材料(即第三代半导体材料)的设备,制造工艺和器件物理的快速发展,SiC和GaN基电力电子器件逐渐成为功率半导体的重要发展方向。设备。 。第三代半导体功率器件开始出现在军事,航空航天和其他领域,具有更高的击穿电压,更高的导热率,更高的电子饱和漂移率和更高的抗辐射性。

本文将从第三代半导体材料性能应用,行业领导者和市场并购,国家发展战略以及中国的实力和思想的角度分析第三代半导体功率器件市场。

01

第三代半导体的性能和应用

半导体工业经历了三个发展阶段,第一代半导体材料以硅(Si)为代表。第二代半导体材料砷化镓(GaAs)也被广泛使用。以宽带隙为代表的第三代半导体材料,例如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)以及氧化锌(ZnO),具有显着的性能优势,并在业界广受好评。第三代半导体具有高击穿电场,高饱和电子速度,高导热率,高电子密度,高迁移率等特点,因此被视为固态光源,电力电子的“核心”。和微波射频设备。适用于光电子和微电子等行业的“新引擎”。更好地开发的宽带隙半导体主要是SiC和GaN,其中SiC已经发展得更早。 SiC,GaN,Si和GaAs的一些参数如下图所示:

可以看出,SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs的禁带宽度,相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs。宽带隙半导体的最高工作温度高于第一代和第二代半导体材料的最高工作温度。击穿场强度和饱和导热率也远大于Si和GaAs。以SiC为例,它具有宽带隙,高击穿电场,高导热率,高电子饱和率和更高的耐辐射性。它非常适用于高温,高频,耐辐射和大功率器件。

产品被市场接受,价格和性能是主要考虑因素。 SiC的性能是不容置疑的,但成本仍然高于硅产品。在相同的特性,相同的电压和相同的使用条件下,它比硅产品贵约5至6倍。因此,在这个阶段,只需要高性能。对价格不太敏感的应用开始取代硅产品,如汽车,汽车充电桩,太阳能等。为了替代硅产品,SiC仍有很大的发展空间。当SiC的成本可以降低到硅的2到3倍时,它应该形成很大的市场规模。到2020年,当EV汽车大规模推出时,SiC市场将出现爆炸式增长。

在应用方面,根据第三代半导体的发展,其主要应用是半导体照明,电力电子,激光和探测器,以及其他四个领域,每个领域都有不同的行业成熟度,如下图所示。在前沿研究领域,宽带隙半导体仍处于实验室开发阶段。

下面,我们将重点放在电源管理中的应用。许多公司已经开始开发SiC MOSFET,包括英飞凌,Cree的Wolfspeed,ROHM,STMicroelctronics,Mitsubishi和General Electric。相比之下,参与GaN市场并且起步较晚的参与者较少。

SiC和GaN商用功率器件的发展历史

SiC电力电子市场于2016年正式成立,市场规模在2.1亿至2.4亿美元之间。根据Yole的最新预测,2021年SiC市场的规模将上升至5.5亿美元,而此期间的复合年增长率预计将达到19%。目前,全球有30多家公司有能力在电力电子领域生产,设计,制造和销售SiC和GaN相关产品。 2016年,SiC在基板材料,器件和应用方面取得了长足的进步。已经开发出耐压水平超过20KV的IGBT样品。

功耗因数校正(PFC)电源市场消耗大量二极管,仍将是SiC功率半导体最重要的应用。 PFC电源市场之后的应用领域是光伏逆变器。许多光伏逆变器制造商目前在其产品中使用SiC二极管和MOSFET。 SiC二极管的应用可为光伏逆变器提供许多性能优势,包括提高效率,减小尺寸和重量。此外,SiC二极管可以在一定功率范围内降低系统成本。

SiC器件市场发展趋势

02

行业领导者和市场合并

据Yole统计,目前的行业领导者英飞凌和Cree占整个SiC市场的68%。随后是ROHM和STMicroelctronics。

英飞凌和Cree一直是SiC市场的行业领导者

两家公司目前都在关注如何实现将SiC器件集成到功率元件和转换器中的工业应用,以及为这些SiC器件系统提供专门设计的封装。英飞凌拥有开发SiC器件功率元件所需的技术基础。

除了英飞凌和Cree之外,日本的ROHM也是一家在SiC功率器件开发方面投入巨资的公司。

由于SiC功率器件可以显着降低功率转换损耗,2010年,ROHM率先宣布大规模生产SiC MOSFET产品,并开始对该产品进行市场化。与其他SiC制造商相比,ROHM的优势在于其一站式生产系统。 2009年,ROHM收购了专门生产SiC材料的德国公司SiCrystal。凭借其材料,ROHM将在德国完成晶圆,然后在日本福冈和京都封装芯片和SiC模块。据报道,ROHM是世界上唯一能够实现一站式生产的SiC制造商。其产品电压为650V和1200V,未来将推出1700V或更高电压的产品,主要用于铁路,太阳能,风能等应用。

太阳能和风能产品的最大区别在于太阳能通常为1200V,风能必须为1700V甚至3300V。家用车一般为650V,总线需要1200V,而高速轨可能需要1700V以上。减小芯片尺寸;或减少相同芯片尺寸的导通电阻是巨人的方向。

在2016年半导体并购案中,有4个项目直接涉及第三代半导体,涉及交易金额100亿美元。由英飞凌收购Cree收购的Wolfspeed对产业结构影响最大。如果能够成功收购Wolfspeed,英飞凌将在原有基础上进一步扩展,成为全球首屈一指的SiC功率器件供应商。然而,由于美国外国投资委员会(CFIUS)的国家安全问题,该交易于2017年2月16日暂停。

资料来源:CASA整理

英飞凌一直在模拟,特别是电力,并购市场中发挥先锋作用。为了扩展其功率半导体业务,该公司于2015年初以约30亿美元的价格收购了功率半导体元件和电源管理IC制造商—— International Rectifier(IR),这是英飞凌历史上最大的收购。多年来,英飞凌一直是功率半导体行业最大的参与者。通过收购IR,其全球市场份额进一步增加至20%。

2015年,英飞凌还收购了韩国公司LS Power Semitech的股份,收购了Schweizer Electronic和TTTech的股份,后者是一家专注于驾驶员辅助系统的PCB制造商,以及与Panasonic在未来GaN技术方面的战略收购和合作伙伴关系。它在模拟中的扩展,特别是在电力业务中,经常发生。

为什么会这样?一方面,它基于大型工业环境。在过去几年中,全球半导体产业的增长一直疲软,甚至出现负增长。制造商的利润率大幅下降。具有一定规模和实力的供应商(如英飞凌)正面临着具有巨大增长潜力的物联网。车辆网络,5G等市场基于自身的技术优势,寻求优化资产整合,丰富和加强产品线,扩大产品组合,提升公司抵御风险的能力,并通过合并促进收入增长赢得更多市场份额。

另一方面,频繁的兼并和收购也基于公司充足的现金储备。英飞凌2015年的财务业绩非常出色,收入为58亿欧元,同比增长34%。其四个业务部门(汽车电子,电源管理和多元化市场,工业电源控制,智能卡和安全)表现良好。基于此,英飞凌表示将把并购行动视为公司未来的发展和壮大。自己力量的重要战略。

从近年来中国半导体的发展来看,利用工业支持资金进行海外收购已成为提升中国工业实力的有力武器。然而,考虑到第三代半导体产业的资本和技术双重密集性,特别是SiC和GaN材料和芯片在军事领域的大规模应用,获取第三代半导体相关技术将变得越来越困难和海外公司。美国政府以“国家安全”为由阻止了金沙江收购Lumiled和洪鑫投资基金收购德国Aixtron。 2015年12月,飞兆半导体拒绝了中国投资财团的首次收购,但随后于2016年1月5日宣布将考虑华润微电子和华创投资的修订计划。

在新计划中,中国资本愿意以每股21.70美元现金收购Fairchild,这远高于Anson每股20美元。遗憾的是,由于美国政府对中国企业并购的限制,中国人民的高价橄榄枝没有获得通行证。在Fairchild拒绝英飞凌之后,ST选择了同样的美国安利美女让后者跳起来。 Home Power Semiconductor是第二个家!

03

国家碳化硅战略

第三代半导体材料引起了全世界的关注,并已成为半导体技术研究和行业竞争的前沿。美国,日本,欧洲等国家正在积极开展战略部署。作为电力电子器件,由于成本因素,SiC器件在诸如高端白色家电和电动车辆的低压领域中逐渐丧失竞争力。但在高压领域,如高速列车,风力发电和智能电网,SiC具有不可替代的优势。

开发SiC材料和电力电子(资料来源:CCID)

为了抓住第三代半导体技术的战略制高点,美国等发达国家通过国家级创新中心,协同创新中心和联合,将企业,大学,研究机构和相关政府部门有机地整合在一起。研究与开发。三代半导体技术的加速发展引领,加速并占领了全球第三代半导体市场。

例如,美国国家航空航天局(NASA)和国防高级研究计划局(DARPA)通过研发资金和采购订单开发了SiC和GaN的研发,生产和设备开发。在韩国,在相关政府机构的领导下。重点是高纯度SiC粉末制备,高纯度SiC多晶陶瓷,高质量SiC单晶生长,以及高品质SiC外延材料的生长。在功率器件方面,韩国还推出了国家电力电子项目,重点是硅基GaN和SiC。

在美国和其他发达国家,2016年第三代半导体材料相关政策措施如下:

资料来源:CASA整理

04

中国的实力和思想

我国对SiC和GaN材料及器件的研究工作相对较晚,且水平较低。阻碍中国第三代半导体研究进展的重要因素是最初的创新问题。国内新材料领域的大多数研究机构和相关生产企业都渴望快速成功,难以容忍“只有投入,没有产出”的现状。因此,以第三代半导体材料为代表的新材料的原始创新是困难的。

然而,与此同时,政府正在积极推动。国家和地方政府先后启动政策和产业支持资金,发展第三代半导体相关产业:2016年引入地方政策,福建,广东,江苏,北京和青海分别推行27项。该地区已发布近30项第三代半导体相关政策(不包括LED)。一方面,第三代半导体已被写入“十三五”规划。另一方面,许多地方政府都将SiC和GaN材料公司作为目标,具有一定的优势。福建省计划投资500亿元设立一个特殊的安信基金,以建立第三代半导体产业集群。

中国的许多半导体制造商也在积极部署SiC和GaN器件。其中华润华晶微电子和华虹宏力。一旦接近收购飞兆半导体,我们就可以看到华润微电子在布置先进功率器件方面的决心和实力。华润华晶微电子有限公司是华润微电子旗下的国家半导体分立器件高新技术企业。在中国,其电力设备规模和品牌具有一定的优势。华虹宏力是业界首款采用深沟槽超级结(DT-SJ)和场截止(FS IGBT)工艺平台的200mm铸造厂。中国公司已经有一定的规模。

从分析中不难看出:

纵观全球电力设备市场,机遇与挑战并存。全球碳化硅行业模式已经显示出美国,欧洲和日本的三大支柱。美国是世界上最大的,占全球碳氢化合物产量的70%至80%;欧洲拥有完整的SiC衬底,外延,器件和应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的声音;日本是设备和模块开发方面的绝对领导者。由于其接近国际先进水平的LED,中国为第三代半导体技术的研发和工业应用奠定了一定的基础。

与美国,欧洲和日本等发达国家相比,中国可以在以下方面做出更大的努力:

1.集中优势资源,支持龙头企业和研究机构。在中国的碳化硅领域本身没有优势的情况下,国家和地方投资基金被分散到许多企业,使已经不足的研发投入大大多样化,并且难以形成规模效应。

2.参与公共研发平台。第三代半导体涉及多学科,跨学科技术和应用。许多基础研究和开发不是公司可以解决的问题。国内大多数研究机构按领域划分,难以形成跨学科,多学科的合作。可以以国家项目的形式组织一些研究机构,共同克服基本技术。

3.行业规划第一。在行业协会的帮助下,我们将首先在标准,测试,认证等方面规划行业的发展。它是工业发展的合理性和指导。解决当前标准,测试,认证等规则,程序和新材料行业发展特点之间的不匹配问题。

中国是否会屈服或超越第三代半导体材料还是受人们的影响?这是大多数从业者最关心的问题。

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