2019年第三代半导体产业发展概况

2020-06-24 14:14:54 26

  

第三代半导体具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能,契合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求,是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件,已成为全球半导体技术和产业新的竞争焦点。

    2019年全球泛半导体产业仍处于低迷期,但第三代半导体技术、产品、市场、投资均呈现较高增长态势。技术产品方面,产品性能、可靠性趋于稳定,客户接受度提高。SiC 材料方面,高品质 4 英寸衬底全面商业化,6 英寸衬底的商业化也在持续推进。SiC 功率模块化产品推出速度加快,多款车规级产品值得关注。

    产业方面,国际企业纷纷加强在第三代半导体领域的布局,通过调整业务领域,扩大产能供给,整合并购,增强竞争能力。全球迎来扩产热潮,SiC 成为巨头布局热点,产能大幅增加。中游企业开始提前锁定上游材料货源,科锐与除罗姆之外的主要半导体器件厂商都签订了长期供货协议。车企牵头,第三代半导体产品逐渐进入各汽车集团的主流供应链。产品供应上量,价差持续缩小,SiC、GaN 产品性价比开始凸显,部分产品与 硅(Si)产品的价差已经缩小到触及“甜蜜点”。

    市场应用方面,第三代半导体产品渗透速度加快,应用领域不断扩张,汽车电子、5G 通信、快充电源及军事应用等几大动力带领市场快速增长。

    总体而言,尽管 2019 年外部宏观环境不利,半导体产业整体处于低谷期,但第三代半导体产业实现逆势增长,国内外产业均步入发展快车道。


国际碳化硅产业进展


1. 技术稳定提升,应用级产品受关注

(1) 商业化材料供应稳定,性能持续提升

    2019 年,SiC、GaN衬底、外延质量继续提升,尺寸不断扩大,缺陷密度持续降低,性价比进一步获得下游认可。

SiC 衬底及同质外延方面,高品质 6 英寸材料商业化已经普及。科锐全面转向 6 英寸 SiC 产品,首批 8 英寸 SiC 衬底制样完成,预计2022 年实现量产。GaN材料方面, 目前 SiC基 GaN外延材料实现 4英寸与 6英寸共存,并逐步向6英寸过渡。由于 Si衬底成本低廉,  随着 Si基 GaN外延材料和工艺技术的不断进步,  Si基 GaN射频器件有望在5G微 站和移动终端占领市场,  650V功率器件在快充、白色家电等消费类 功率器件在快充、白色家电等消费类 功率器件在快充、白色家电等消费类市场具有吸引力。

(2) 多款器件新品推出,应用级产品受瞩目器件供应迅速上量。

    Mouser 数据显示,2019 年各厂家在售的各类 SiC、GaN 产品(含功率电子和微波射频,不含 LED)已经接近1300 款,较 2017 年增加了 6 成,仅 2019 年就新增了 321 款新品。

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1)SiC 电力电子器件及模块

   2019 年 SiC 功率模块化产品推出速度明显加快,多款车规级产品值得关注。

SiC 电力电子器件(包括 SBD 和 MOSFET)耐压水平和电流极值水平基本与2018年持平。商业化的SiC SBD最高耐压水平为3300V,但 90%以上的产品耐压范围仍然集中在 650V 和 1200V,工作电流集中在 60A 以下,1700V 和 3300V 产品较少。商业化的 SiC MOSFET产品指标与去年基本一致,目前最高耐压为 1700V,工作电流在 65A以下,主要有 650V、900V、1200V 以及 1700V 四个电压水平。随着技术的进步,产品实现升级换代。

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    由于目前商业化的SiC SBD/MOSFET产品已经覆盖了大部分的应用需求,因此相较于2018年,2019年推出的新产品数量有所减少。值得关注的是,2019年推出的4款SiC SBD及MOSFET均符合车规级(AEC-Q101)标准,应用于新能源汽车、光伏等领域的电力电子器件市场。

    SiC功率模块推出加速。2019 年推出的SiC模块(包括全SiC及混合SiC模块)新品数量占到了新品总数的一半以上,其中全SiC模块最高工作电压为3300V(三菱),这也意味着SiC器件应用迈入新的阶段。2019年,罗姆研发的1700V/250A全SiC功率模块,可在室外发电系统和工业高压电源的应用中发挥重要作用,且其应用效果显示,采用新模块后的系统节能效果和可靠性提升显著,这意味着1700V SiC模块在性能上已可以替代1700V Si IGBT模块。

    企业着重推出SiC应用模块,并推出针对SiC电路的周边器件,罗姆推出可独立保护系统的半导体保险丝,具备独立过电流保护功能。新能源汽车的发展对于驱动系统提出了更高的要求,例如小型化、高效化等。2019 年,国内外各大零部件供应商或整车企业都在着手开发或量产SiC电驱动系统。


2)GaN电力子器件及模块

    GaN功率器件应用产品加快推广。 商业化的 Si基 GaN电力子 电力子 器件最高电压仍然是 650V,但室温下( 25℃)电流达到了 150A(GaN Systems-下图未标出),相比 2018年提升了 25%。900V的 GaN FET目前已经开始提供试样。

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    30A以上的以上的 GaN HEMT产品导通电阻和Si产品差不多,都在0.1Ω以下,在性能上已具备较大竞争力。

    预计未来5-10年,GaN HEMT电力电子产品将由目前的600/650 V提升至1200 V,随后将处于平稳状态。目前,垂直型GaN SBD电压达到600V-1000V,垂直型GaN p-n二极管达到5kV,预计10年内GaN p-n二极管可达到10kV。


2. 汽车电子+5G 提速,打开市场增长空间

(1) 汽车电子市场加速导入三代半产品

1)第三代半导体电力电子器件市场规模达 5.8 亿美元

    综合参照 Yole 与 IHS Markit 的数据,2019 年 SiC 电力电子器件市场规模约为 5.07 亿美元,GaN电力电子器件市场规模约为0.76亿美元,两者合计市场规模约在5.8亿美元左右,其主要驱动力为新能源汽车和消费电子。而据中国电子技术标准化研究院数据,全球功率半导体分立器件的销售额约为230.91亿美元,综合Yole的数据,SiC、GaN电力电子器件的渗透率约为2.5%。整体来看,第三代半导体尽管进展较快,但仍然处于较早期的产品导入阶段。

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Yole预测,SiC电力电子器件的市场规模2023年将增长至14亿美元,复合年增长率接近30%。驱动因素是新能源汽车应用,得益于SiC MOSFET性能和可靠性的提高,3-5年内,SiC MOSFET有望在电动汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用,未来5年内驱动SiC器件市场增长的主要因素将由SiC二极管转变为SiC 晶体管。

IHS Markit预测,GaN电力电子器件市场2024年预计将达到6亿美元,主要来自于快充市场的增长。另一方面,GaN电力电子器件凭借成本优势,有望在逆变器市场取得较快增长。

2)新能源汽车市场备受瞩目

全球汽车功率半导体市场规模稳步增长。根据中商产业研究院、英飞凌数据,预计汽车半导体市场 2020 年将达到 70 亿美元,复合增长率 6.47%。电动车市场将是 SiC 器件成长的主要驱动力,包括汽车本身的功率半导体部分以及相关的充电基础设施建设中的功率半导体部分。据国际能源署(IEA)预测,到 2030 年,全球销售的纯电动汽车台数将达到 2017 年的 15 倍,增至 2150 万辆。

新能源汽车的功率半导体价值大幅提升。新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括:电机驱动器、车载充电器(OBC)/非车载充电桩、电源转换系统(车载 DC/DC)。随着新能源汽车的发展,对功率半导体器件的需求量将会日益增加。根据英飞凌的统计,平均一辆传统燃油车使用的半导体器件价值为 355 美元,而新能源汽车使用的半导体器件价值为 695 美元,几乎增加了一倍,其中功率器件增加最为显著,由 17 美元增加至 265 美元,增加了近 15 倍。目前,市场上销售的新能源汽车所搭载的功率半导体多数为硅基器件,如硅基 IGBT 和硅基 MOSFET,随着技术和产品的成熟,第三代半导体将逐步替代大部分硅基产品。

第三代半导体电力电子器件加速电动汽车市场渗透。2019 年,以 SiC 为代表的第三代半导体电力电子器件在电动汽车领域的应用取得较快进展。国际上有超过 20 家汽车厂商在车载充电机(OBC)中使用 SiC 器件,特斯拉 Model 3 的逆变器采用了意法半导体生产的全 SiC 功率模块,各汽车制造都计划于未来几年在主逆变器中应用 SiC 电力电子器件。而充电基础设施方面,台达联手通用等研发400kW 超快速充电系统(XFC)中使用 SiC 功率半导体器件。电驱方面,科锐联手采埃孚推进电驱动领域合作,双方达成战略合作协议,推进采用 SiC 基逆变器的电驱动动力总成开发。

3)GaN快充市场快速开启

    2019年,GaN电力电子器件在快充市场的应用同样火热,推出GaN PD快充充电器的厂商数量和产品与去年相比有了爆发式的增长。同时,越来越多的消费电子厂商正在布局GaN PD快充,市场趋势逐渐明朗。

据CASA Research不完全统计,目前国内外市场至少有32家生产制造GaN PD快充产品的厂商,可提供的GaN PD快充产品超过50款,并且大部分厂商接受定制需求。市面上GaN PD 快充产品大部分功率在30W-100W,能满足大部分的手机、平板电脑的充电功率需求。而国内最值得关注的是OPPO和小米的新产品中开始采用GaN PD的解决方案。

GaN电力电子器件具有更高的功率密度,采用GaN的充电器体积小(仅为原来的1/4)、重量轻、转换效率高、发热低、安全性强,较普通充电器有显著优势。根据内部电路架构的不同,约使用1-2颗的GaN电力电子器件,平均转换效率约在90%左右。目前主要瓶颈在于成本、供应链稳定性以及可靠性方面,这些无法通过器件本身完成验证,而消费电子用量巨大,一旦出现问题,将产生召回问题,导致巨大的经济成本和声誉成本。随着市场开启,供应上量,这些问题都将逐步解决。据Gartner数据,全球智能设备年均新增出货量超20 亿台,随着GaN在该市场渗透提速,未来几年快充市场将成为GaN电力电子最大的推动力。


国内第三代半导体产业进展

1. 量产技术渐稳定,商业化进程加速

2019 年我国第三代半导体领域技术已经基本完成从小批量的研发向规模化、商业化生产的成功跨越。各环节技术、性能趋于稳定,规模化生产工艺、产品性价比等逐步得到市场认可。行业对技术的关注点不仅是创新研发,还包括工程化技术、可靠性验证及规模商用。

(1) 材料获下游认可,技术指标稳定提升

SiC 衬底方面,4 英寸导电和半绝缘衬底已经实现产业化,6 英寸导电衬底小批量供货,已经研制出 8 英寸衬底。目前,国内主流衬底厂商均有能力制备低微管密度衬底,自主的 6 英寸 N 型 4H-SiC 单晶衬底材料技术,微管密度降低到 0.13 个/cm2,4 英寸半绝缘 SiC 衬底批量商用,表面粗糙度 0.082nm,供货过万片。外延方面,SiC 同质外延目前商业化的尺寸为 4-6 英寸,基平面位错(BPD)≤1cm-2,最大厚度可达 200μm。

GaN衬底方面,2-3英寸衬底小批量产业化,4英寸可提供样品,综合指标达到国际先进水平。GaN异质外延方面,用于电力电子器件的Si基GaN外延基本实现6英寸产业化和8英寸材料的样品研发,650V产品的外延厚度通常在5μm。Si基GaN外延,实现晶圆级无裂纹10 μm硅基GaN薄膜,位错密度低于6×107 cm-2。基于Si基GaN厚膜,通过红外反射和拉曼偏振光谱联合测量,克服了GaN强烈的剩余射线带导致的测量难题,首次给出C在GaN中替代N位的直接证据。用于微波射频器件的SiC基GaN外延以4英寸为主,并逐步向6英寸发展。

(2) 器件技术追赶国外,商业供应链打通

SiC 器件方面,国内外产品涵盖的电压等级已经基本无差别。SiC SBD 覆盖了 600V-3300V 的电压范围,商业化的 SiC SBD 目前最高耐压6.5kV,工作电流 25A,实现批量供货;SiC MOSFET 方面,推出多款应用于新能源汽车电机驱动的 1200V 大功率器件及模块产品,全 SiC 功率模块最高规格为1200V/600A。车用 SiC 电机控制器、车用自主 1200V SiC 芯片及模块、车用高温大电流 SiC MOSFET 双面银芯片等技术取得重要突破。同时,已经开发出了 60kW 全 SiC 直流充电机,整体效率达 96%,相对硅基样机提升 2%;研制出满足公交充电站应用的 400kW 全 SiC 直流充电机样机;实现了国产 SiC 充电设备的量产。

GaN电力电子器件方面,商业化的Si基GaN HEMT最高电压为650V,工作电流35A商业化的Si基GaN HEMT最高电压为650V,工作电流35A。研发方面,Si基GaN电力电子器件性能达到国际先进水平,IDs=435 mA/mm VB=520 V@1 μA/mm,ON/OFF>5×1010。


2. 国产替代加速,市场快速增长

(1) 国产替代加速,市场加快启动

大中华区是主要市场驱动。中国第三代半导体产业从2015年开始高速增长,从终端市场看未来应用将广泛扩展到人工智能、新能源汽车、自动驾驶、5G技术、车联网等领域。第三代半导体器件在新兴应用领域的渗透迅猛,国内市场化进度显著快于国外。从各国际巨头的财报中反映出来,科锐、罗姆、英飞凌等的财报中均反映出大中华市场都成为其重要驱动力,均在加大对中国市场的应对力度。

国产替代获得发展机会。自2018年贸易摩擦以来,“中兴事件”、“华为事件”等系列事件,警醒了业内对硬科技缺失的重视,从国家层面到企业均开始推进半导体核心技术国产自主化,实现供应链安全可控,这加速了半导体器件的国产化替代进程。以华为为代表的应用企业均在调整供应链,扶持国内企业,2019年三安集成、山东天岳、天科合达、泰科天润、国联万众、苏州能讯等国内第三代半导体企业的上中游产品均获得了难得的下游用户验证机会,进入了多个关键厂商供应链,逐步开始了以销促产的“良性循环”。

(2) 电力电子器件市场规模近 40 亿元

1)渗透率提升,市场规模近 40 亿元

受经济形势下行和国内应用市场的共同作用,我国半导体电力电子市场规模继续扩大,但增速略有下滑。据 Wind 数据显示,2019 年我国半导体分立器件的市场规模约 2900 亿元,第三代半导体器件则逆势增长,而据 CASA Research 统计,2019 年国内市场 SiC、GaN 电力电子器件的市场规模约为 39.3 亿元,较上年同比增长 40.97%。这意味 SiC、 GaN 器件在功率器件市场渗透率在 1.5%到 3.0%之间,逐年提高。

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2019年国内除光伏逆变、新能源汽车等持续推进以外,消费电子的快充电源和云计算数据中心的商业电源市场成为新的应用亮点。应用领域拓展、市场渗透加速、国产化率提升,三大发展趋势将推动国内第三代半导体市场未来几年的高速增长。CASA Research预计2024年我国电力电子器件应用市场规模预计将近200亿元,未来5年的复合增速将超过40%。


2)新能源汽车、消费电子及工商业电源应用高速增长

从各细分市场来看,市场成长动力主要来自新能源汽车、消费电子和工商业电源应用。

新能源汽车和充电桩市场是 SiC 功率器件市场增长的重要动力。我国作为全球最大的新能源汽车市场,2019 年随着下游特斯拉等品牌开始大量推进 SiC 解决方案,国内的厂商也快速跟进,以比亚迪为代表的整车厂商开始全方位布局,推动第三代半导体器件的在汽车领域加速。第三代半导体器件在充电桩领域的渗透快于整车市场,主要应用是直流充电。2019 年,新能源汽车细分市场的 SiC 器件应用规模(含整车和充电设施)约为 4.2 亿元,较上年增长了 70%,未来五年预计将保持超过 30%的年均增长。

在消费电子方面,2019年的亮点在于快充电源作为新应用带来的市场预期。根据CASA 测算,2020年第三代半导体电力电子器件应用在快充市场的市场规模超过1亿元。目前终端厂家如OPPO和小米已经开始在新机型中采用,而中国作为最大的消费电子(特别是手机)生产地,一旦GaN快充方案成为终端主流方案,无线充电市场也将随之推展开,未来几年将成为GaN功率电子应用最大的推动力,预计未来几年消费电子应用将保持翻倍的增速。

2019 年,第三代半导体电力电子器件在工业及商业电源的市场规模接近 9 亿元,增速超过 30%。受 5G 浪潮、汽车电气化、物联网、智慧城市、军用雷达等宏观要素推动,终端的消费电子、汽车电子带来更新换代需求;而云端数据中心催化了服务器市场的高速增长;同时 5G 基站新浪潮带来了通讯电源市场的爆发。一方面受通讯电源、服务器电源的市场高速增长影响,另一方面在工商业电源中成本敏感度稍低,随着 SiC、GaN 产品的成本下降,大量解决方案的出台,第三代半导体产品的性价比开始凸显,因此工商业领域,特别是毛利较高的高端市场,新技术的渗透较预期的快。预计未来五年将继续保持超过 30%的增长,到 2024 年第三代半导体在该领域的市场规模将超过 30 亿元。

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展望2020年,受新型冠状病毒肺炎疫情和政经风险交织等因素影响,全球经济预计继续下滑。中国第三代半导体产业在高速发展中需要关注错位发展、质量提升、市场波动和资本较热的问题。从国家层面加快顶层设计和部署,启动国家2030重大项目,夯实支撑产业链的公共研发与服务等基础平台,加速推动产业生态环境的完善。



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