半导体行业前瞻分析.docx

1、半导体行业前瞻分析2020 年半导体行业前瞻分析导语由于 SiC 与 GaN 产业链全球来看仍处于起步阶段，国内企业更是 大部 分处于早期研发阶段，远未成熟，行业体量较小，重点关注已经 在 SiC 与 GaN 研发上投入大量资源并且取得一定成果的公司。硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起Si 材料的历史与瓶颈上世纪五十年代以来，以硅（ Si ）材料为代表的第一代半导体材料 取代 了笨重的电子管引发了集成电路 （IC ）为核心的微电子领域迅速 发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低， Si 在光电 子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高 频下工作性能 较差，不适用于高压应

2、用场景， 光学性能也得不到突破。随着 Si 材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（ GaAs ）为代表的第二 代半导 体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域， 尤其是在 红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。 第三代半导体材 料的兴起， 则是以氮化镓（ GaN ）材料 p 型掺杂的突破为起点，以 高亮度蓝光发光 二极管（ LED）和蓝光激光器（ LD ）的研制成功为标 志，包括 GaN 、碳 化硅（ SiC ）和氧化锌（ ZnO ）等宽禁带材料。第三代半导体（本文以 SiC 和 GaN 为主）又称宽禁带半导体， 禁带宽度在 2.2eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热 导率、高

3、电 子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。 SiC 与 GaN 相比较，前者相 对 GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些； 两者有一个很大的区别 是热导率， 这使得在高功率应用中， SiC 占据 统治地位；同时由于 GaN 具有更高的电子迁移率，因而能够比 SiC或 Si 具有更高的开关速度，在 高频率应用领域， GaN 具备优势SiC/GaN ：稳定爬升的光明期虽然学术界和产业界很早认识到 SiC 和 GaN 相对于传统 Si 材料的优点， 但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得 到应用，无法挑战 Si 基器件的统治地位，但是随着 5G 、 汽车等新市场 出现，

4、 SiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发 与应用加速；随着 制备技术的进步， SiC 与 GaN 器件与模块在成 本上已经可以纳入备选方 案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaN 的时代即将迎来。SiC ：极限功率器件的理想材料SiC ：极限功率器件的理想的材料SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非 常稳定。 C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶 格结构，如 4H 、6H 、 3C 等等。 4H-SiC 因为其较高的载流子迁移 率，能够提供较高 的电流密度，常被用来做功率器件。SiC 从上个世纪 70 年代开始研发， 2001 年

5、 SiC SBD 商用， 2010 年 SiC MOSFET 商用， SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英 寸 SiC 单晶衬底和 外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器 件制备能够在目前现有 6 英寸 Si 基功率器件生长线上进行，这将进步降低 SiC 材料和器件成本， 推进 SiC 器件和模块的普及。SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面： 降低电能转换 过程中 的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。降低能量损耗。 SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关 损 耗大大低于同等 IGBT 模块的开关损耗，而且开关频率越高，与 IGBT 模块之间

6、的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的 高速 开关工作，全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现 高速 开关。低阻值使得更易实现小型化。 SiC 材料具备更低的通态电阻， 阻值 相同的情况下可以缩小芯片的面积， SiC 功率模块的尺寸可达到仅 为 Si 的 1/10 左右。更耐高温。 SiC 的禁带宽度 3.23ev ，相应的本征温度可高达 800 摄 氏度，承受的温度相对 Si 更高； SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的 热导 率，而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K ，更高的热导率可以带 来功 率密度的显著提升， 同时散热系统的设计更简单， 或者直接采用

7、自 然冷却。SiC 产业链：欧美占据关键位置SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步 骤，对 应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节SiC 衬底 ： SiC 晶体通常用 Lely 法制造，国际主流产品正从 4 英寸 向 6 英寸过渡，且已经开发出 8 英寸导电型衬底产品，国内 衬底以 4 英寸为主。 由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造 用于生 产 SiC 器件， 所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较长 时间。SiC 外延： 通常用化学气相沉积（ CVD ）方法制造，根据不同的 掺 杂类型，分为 n 型、 p 型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能

8、 提 供 4 寸 /6 寸 SiC 外延片。SiC 器件： 国际上 6001700V SiC SBD 、 MOSFET 已经实现产 业 化，主流产品耐压水平在 1200V 以下，封装形式以 TO 封装为 主。价格方面，国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 56 倍， 正以 每年 10% 的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上线，未来 23 年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应 Si产品 23 倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC逐步 占领 Si 器件的市场空间。全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美 国全球 独大，全球 SiC

9、 产量的 70%80% 来自美国公司，典型公司 是 Cree 、 - ；欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用 产业链，典型公司 是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发 方面的领先者，典型 公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。国内企业在 SiC 方面也多有布局。 SiC 衬底方面，天科合达、山东天岳、 同光晶体等均能供应 3 英寸 6 英寸的单晶衬底。 SiC 外 延片方面，厦门 瀚天天成与东莞天域生产 3 英寸 6 英寸 SiC 外延片。SiC 器件 IDM 方 面 ，中电科 55 所是国内少数从 4-6 寸碳化硅 外延生长、 芯片设计与制造、 模块封装领域实现全产业链的

10、企业单位， 其 6 英寸碳化硅中试线已投入 运行，旗下的控股子公司扬州国扬电 子为“宽禁带电力电子器件国家重 点实验室”的重要实体单位，专业 从事以碳化硅为代表的新型半导体功 率模块的研制和批产， 现有一条 于 2017 年投产、 产能 50 万只 / 年的模 块工艺线。 泰科天润已经量 产 SiC SBD ， 产 品 涵 盖 600V/5A 50A 、 1200V/5A 50A 和 1700V/10A 系列。深圳基本半导体拥有独创的 3D SiC 技术，推出 的 1200V SiC MOSFET 性 能 达 到 业 界 领 先 水 平 。 SiC 器 件 Fabless 方面 ，上海瞻芯电子

11、于 2018 年 5 月成功地在一条成熟量 产 的 6 英寸工艺生产线上完成 SiC MOSFET 的制造流程。代工方 面，三 安光电旗下的三安集成于 2018 年 12 月公布商业版本的 6 英 寸碳 SiC 晶 圆制造流程， 并将其加入到代工组合当中。 根据公司新闻 稿，目前三安 SiC 工艺技术可以为 650V 、 1200V 和更高额定电压 的肖特基势垒二极 管（ SBD ）提供器件结构，公司预计在不久后会推出针对 900V 、 1200V 和更高额定电压的 SiC MOSFETs 产品。SiC 市场：汽车是最大驱动力SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中， 典型市场包括轨交、

12、功 率因数校正电源（ PFC ）、风电（ wind ）、光伏（ PV）、新能源 汽车（ EV/HEV ）、 充电桩、不间断电源（ UPS ）等。根据 Yole 的 预测， 20172023 年， SiC 功率器件市场将以每年 31% 的复合增 长率增长， 2023 年将超过 15 亿美元；而 SiC 行业龙头 Cree 则 更为乐观，其预计短期到 2022 年， SiC 在电动车用市场空间将快 速成长到 24 亿美元，是 2017 年车用 SiC 整体收入（ 700 万美元） 的 342 倍。SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，技术 也已 经趋于成熟， 令其成为实现新能源

13、汽车最佳性能的理想选择。 与 传统解决方案相比， 基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、 重量更轻 及结构更 加紧凑。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上应用主要是 功率控制 单元、逆变器、 DC-DC 转换器、车载充电器等方面。新能源车的功率控制单元（ PCU ）。 PCU 是汽车电驱系统的中枢 神经， 管理电池中的电能与电机之间的流向、 传递速度。 传统 PCU 使 用硅基 材料半导体制成， 强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的 时的电能 损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则 大大降低了 这一过程中能量损失， 将传统 PCU 配备的 Si 二极管置 换成 SiC

14、二极 管，Si IGBT 置换成 SiC MOSFET ，就可以降低 10% 的总能量损耗， 同时也可以大幅降低器件尺寸，使得车辆更为紧凑。 丰田中央研发实验 室（ CRDL ）和电装公司从 1980 年代就开始合作 开发 SiC 半导体材料， 2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导体器 件的新能源汽车 PCU ，是这 一领域的典型代表。车用逆变器。 SiC 用在车用逆变器上， 能够大幅度降低逆变器尺寸 及重 量，做到轻量化与节能。在相同功率等级下，全 SiC 模块的封装尺寸显 著小于 Si 模块，同时也可以使开关损耗降低 75 （芯片温 度为 150 C）；在相同封装下， 全 SiC

15、模块具备更高电流输出能力， 支持逆变器达到更 高功率。 特斯拉 Model 3 采用了意法半导体 （后 来增加了英飞凌） 生产 的 SiC 逆变器， 是第一家在主逆变器中集成全 SiC 功率模块的车企。 2017 年 12 月 2 日， ROHM 为 VENTURI 车队在电动汽车全球顶级赛事“ FIA Formula E ” 锦标赛第四赛季中 提供了采用全 SiC 功率模块制造的逆变 器，使得相对于第二赛季的 逆变器尺寸下降 43% ，重量轻了 6kg 。车载充电器。 SiC 功率器件正在加速其在车载充电器领域的应用趋 势， 在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018 （ 2018

16、 年 6 月 57 日在德国纽 伦堡举行）上，多家厂商推出了面向 HEV/EV 等电动汽 车充电器的 SiC 功率器件产品。据 Yole 统计，截至 2018 年有超 过 20 家 汽 车 厂 商 在 自 家 车 载 充 电 器 中 采 用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件，且这一市场在 2023 年之前保持 44% 的增长。GaN ： 5G 应用的关键材料GaN ：承上启下的宽禁带半导体材料件是后进者， 它拥有类似 SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大 的成本控制潜力。与传统 Si 材料相比，基于 GaN 材料制备的功率 器件拥有更高的功率密 度输出， 以及更高的能量转换效

17、率， 并可以使系统小型化、轻量化，有 效降低电力电子装置的体积和重量，从而极 大降低系统制作及生产成本。GaN 是极稳定的化合物 ，又是坚硬的高熔 点材料，熔点约 为1700 ， GaN 具有高的电离度， 在族化合物中是最高的 （ 0.5 或 0.43 ）。在大气压力下， GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。GaN 器件逐步步入成熟阶段。 基于 GaN 的 LED 自上世纪 90 年代开始大放异彩， 目前已是 LED 的主流， 自 20 世纪初以来， GaN 功率器件已 经逐步商业化。 2010 年，第一个 GaN 功率器件由 IR 投入市场， 2014 年以后， 600V GaN HEMT 已

18、经成为 GaN 器件主 流。 2014 年，行业首 次在 8 英寸 SiC 上生长 GaN 器件。随着成本降低， GaN 市场空间持续放大。 GaN 与 SiC、 Si 材料各有其 优势领域，但是也有重叠的地方。 GaN 材料电子饱和漂移速 率最高，适 合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如 SiC ；随着 成 本 的 下 降 ， GaN 有 望 在 中 低 功 率 领 域 替 代 二 极 管 、 IGBT 、 MOSFET 等硅基功率器 件。以电压来分， 0300V 是 Si 材料占据 优势， 600V 以上是 SiC 占据 优势， 300V600V 之间则是 GaN 材料的优势领域。

19、根据 Yole 估计，在 0900V 的低压市场， GaN 都 有较大的应用潜力，这一块占据整个功率 市场约 68% 的比重，按照 整体市场 154 亿美元来看， GaN 潜在市场超 过 100 亿美元。GaN RF 市场即将大放异彩。 根据 Yole 估计，大多数低于 6GHz 的宏网 络单元实施将使用 GaN 器件，到 2023 年， GaN RF 器件 市场规模达到 13 亿美元。GaN 在电力电子领域与微波射频领域均有优势GaN 在电力电子领域主要优势在于高效率、低损耗与高频率。GaN 材 料的这一特性使得其在消费电子充电器、新能源充电桩、数 据中心等领 域具有很大的应用前景。高转换效

20、率： GaN 的禁带宽度是 Si 的 3 倍， 击穿电场是 Si 的 10 倍。因此，同样额定电压的 GaN 开关功率器件的导通电阻比 Si 器 件低 3 个数量级，大大降低了开关的导通损耗。低导通损耗： GaN 的禁带宽度是 Si 的 3 倍， 击穿电场是 Si 的 10 倍。因此，同样额定电压的 GaN 开关功率器件的导通电阻比 Si 器 件低 3 个数量级，大大降低了开关的导通损耗。高工作频率： GaN 开关器件寄生电容小，工作效率可以比 Si 器 件 提升至少 20 倍，大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体 积， 从而成倍地减少设备体积，减少铜等贵重原材料的消耗。GaN 在微波射频

21、领域主要优势在于高效率、大带宽与高功率。为 射频元 件材料， GaN 在电信基础设施和国防军工方面应用已经逐步 铺展开来。更高效率： 降低功耗， 节省电能， 降低散热成本， 降低总运行成本。更大的带宽： 提高信息携带量，用更少的器件实现多频率覆盖，降 低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。更高的功率： 在 4GHz 以上频段，可以输出比 GaAs 高得多的频 率， 特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。GaN 产业链：海外企业为主，国内企业逐步涉足GaN 与 SiC 产业链类似， GaN 器件产业链各环节依次为： GaN 单晶衬 底（或 SiC 、蓝宝石、 Si） GaN 材料外

22、延器件设计器 件制造。 目 前产业以 IDM 企业为主， 但是设计与制造环节已经开始 出现分工，如传 统硅晶圆代工厂台积电开始提供 GaN 制程代工服 务，国内的三安集成也 有成熟的 GaN 制程代工服务。各环节相关 企业来看，基本以欧美企业为 主，中国企业已经有所涉足。GaN 衬底： 主流产品以 23 英寸为主， 4 英寸也已经实现商用。 GaN 衬底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到 90% 以上。我 国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技 公司和北京 大学的东莞市中镓半导体科技公司。GaN 外 延 片 ： 根 据 衬 底 的 不 同 主 要 分 为 GaN-on

23、-Si 、 GaN-on-SiC 、 GaN-on-sapphire 、GaN-on-GaN 四种。GaN-on-Si其技 术趋势是优化大尺寸外延技目前行业生产良 率较低， 但是在降低成本方面有着可观的潜力： 因为 Si 是最成熟、 无缺 陷、成本最低的衬底材料； 同时 Si 可以扩展到 8 寸晶圆厂，降低单位生 产成本，使其晶圆成本与 SiC 基相比只有其 百分之一； Si 的生长速度是 于 SiC 晶体材料的 200 至 300 倍， 还有相应的晶圆厂设备折旧以及能耗 成本上的差别等。 GaN-on-Si 外延片主要用于制造电力电子器件，术。 GaN-on-SiC ： 结合了 SiC 优异

24、的导热 性和的 GaN 高功率密 度和低损耗的能力，是 RF 的合适材料。受限于 SiC 的衬底，目前 尺寸仍然限制在 4 寸与 6 寸， 8 寸还没有推广。 GaN-on-SiC 外 延片主要用于制造微波射频器件。 GaN-on- sapphire ： 主要应用在 LED 市场，主流尺寸为 4 英寸，蓝宝石衬底 GaN LED 芯片 市场 占有率达到 90% 以上。 GaN- on- GaN ： 采用同质衬底的 GaN 主 要 应用市场是蓝 / 绿光激光器，应用于激光显示、激光存储、激光照 明等领 域。GaN 器件设计与制造： GaN 器件分为射频器件和电力电子器件， 射频 器件产品包括 P

25、A 、LNA 、开关器、 MMIC 等，面向基站卫星、 雷达等市场； 电力电子器件产品包括 SBD 、常关型 FET、常开型 FET、 级联 ( Cascode ) FET 等产品，面向无线充电、电源开关、包络跟 踪、逆变 器、变流器等市场。按工艺分，则分为 HEMT 、 HBT 射频工艺和 SBD、 Power FET 电力电子器件工艺两大类。GaN 市场：射频是主战场， 5G 是重要机遇GaN 是射频器件的合适材料。 目前射频市场主要有三种工艺： GaAs 工 艺，基于 Si 的 LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体)工 艺，以及 GaN 工艺。GaAs 器件的缺点是器件功率较低， 低于

26、 50W 。 LDMOS 器件的 缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在 3GHz以下。 GaN 弥补了 GaAs 和 Si 基 LDMOS 两种老式技术之间的缺陷， 在体现 GaAs 高频性 能的同时， 结合了 Si 基 LDMOS 的功 率处理能力。在射频 PA 市场， LDMOS PA 带宽会随着频率的增加而大幅减 少，仅 在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效，采用 0.25 微米工 艺的 GaN 器 件频率可以高达其 4 倍，带宽可增加 20% ，功率密 度可达 68 W/mm （ LDMOS 为 12W/mm ），且无故障工作时 间可达 100 万小时，更耐用， 综合性能优势明

27、显。在更高的频段（以及低功率范围）， GaAs PA 是目前市场主流， 出货占 比占 9 成以上。 GaAs RF 器件相比， GaN 优势主要在于带 隙宽度与热 导率。带隙宽度方面， GaN 的带隙电压高于 GaAs （3.4 eV VS1.42 eV）， GaN 器件具有更高的击穿电压，能满足更高的功 率需求。热导率方面， GaN-on-SiC 的热导率远高于 GaAs ，这意 味着器件中的功耗可以更容易 地转移到周围环境中，散热性更好。GaN 是 5G 应用的关键技术。 5G 将带来半导体材料革命性的变 化，随 着通讯频段向高频迁移， 基站和通信设备需要支持高频性能的 射频器件， GaN

28、 的优势将逐步凸显，这正是前一节讨论的地方。正 是这一优势，使 得 GaN 成为 5G 的关键技术。在 Massive MIMO 应用 中 ， 基站 收 发信 机 上 使用 大 数 量（ 如 32/64 等） 的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性， 这种架构需要 相应的射频收发单元阵列配套， 因此射频器件的数量将 大为增加，使得 器件的尺寸大小很关键，利用 GaN 的尺寸小、效 率高和功率密度大的特 点可实现高集化的解决方案， 如模块化射频前 端器件。 除了基站射频收 发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加， 基站密度和基站数量也会 大为增加， 因此相比 3G 、4G 时代，5G

29、时波应用上， GaN 的高功率密度特性 在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体 方案的尺寸。由于结构中包含可以GaN 在电力电子器件领域多用于电源设备实现高 速性能的异质结二维电子气， GaN 器件相比于 SiC 器件拥 有更高的工作 频率，加之可承受电压要低于 SiC 器件，所以 GaN 电力电子器件更适 合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源 领域，如轻量化的消 费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充 电设备等。GaN 电力电子器件增速最快的是快充市场。 2018 年，世界第一 家 GaN IC 厂商 Navitas 和 Exagan 推出了带有集成 Ga

30、N 解决方案 ( GaNFast ? ) 的 45W 快速充电电源适配器，此 45W 充电器与 Apple USB-C 充电器相 比，两者功率相差不大，但是体积上完全是 不同的级别，内置 GaN 充电 器比苹果充电器体积减少 40% 。目前 来看，采用 GaN 材料的快速充电 器已成星火燎原之势，有望成为 行业主流。重要 GaN 企业梳理1、 MacomMacom 是硅基 GaN 的引领者，公司在北美、欧洲和亚洲拥有 多个研发 中心，具备超过 65 年的射频微波器件生产历史。公司产 品线广泛， 从 射频到光器件都有所涉及， 下游客户主要包括数据中心， 电信以及工业 和国防等。 Macom 的硅

31、基 GaN 器件主要用于基站， 目标是替代 LDMOS 以及 SiC 基 GaN 。2、 TransphormTransphorm 创立于 2007 年，覆盖 GaN 完整产业链，从 EPI 到设计、制造，是业内领先的 GaN 器件供应商。公司能生产业内唯 一符合 JEDEC 认证、 AEC-Q101 认证的 GaN 产品， 能够满足汽车 行业的高标准要求。从 2014 年发布第一代产品开始，至今已经到第 三代，产品线逐步完善。公司于 2015 年获得 KKR 7000 万美元投 资，于 2017 年获得 1500 万美 元投资。3 、苏州能讯苏州能讯创立于 2007 年，是国内一家 GaN

32、电子器件生产企业， 主要聚 焦于 GaN 在微波射频与电力电子领域。公司采用 IDM 模 式，自主开发 了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、 可靠性与应用电 路技术。 2009 年公司生产出第一个 2000V 高压开120W关功率器件产品， 并 在 2010 年完成了中国第一个通讯基站用 氮化镓功放芯片的开发， 2014 年全球发布业界领先的量产氮化镓射 频微波器件。苏州能讯在江苏昆山国家高新区建成了中国第一家氮化镓（ GaN ） 电子 器件工厂， 厂区占地 55 亩，累计投资 10 亿元。 首期产能为 3 寸 GaN 晶圆 6000 片，2018 年生产线通过升级改造达到年处理 4 寸氮化镓 5