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华为出手第三代半导体材料,碳化硅蕴藏巨大潜力

2019-03-29 admin 阅读 2709


 导语:工商信息显示,华为出资7亿元全资控股,刚刚于今年4月23日成立的哈勃科技投资有限公司近日出手,投资了山东天岳先进材料科技有限公司,持股达10%。山东天岳是我国第三代半导体材料碳化硅龙头企业。“得碳化硅者得天下”!有业内人士称。甚至可以说,无碳化硅难5G。我国及全球5G网络正在大规模建设中。


  大数据传输、云计算、AI技术、物联网,包括下一步的能源传输,对网络传输速度及容量提出了越来越高的要求,大功率芯片的市场需求非常大。而硅材料的负载量已到达极限,以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。
  而碳化硅是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底材料,综合性能较硅材料可提升上千倍,被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”,是光电子和微电子等产业的“新发动机”。
  业内人士称,碳化硅材料实现量产后,将打破国外垄断,推动国内5G芯片技术和生产能力的提升。
  ▌新一代半导体材料初步发展,中国企业已开始布局
  自从1957年第一个硅二极管问世以来,硅材料由于其稳定的性质、制取方法简单、低廉的成本等因素,迅速成为功率半导体核心材料,但硅器件性能已经逐渐接近其物理极限。但随着科技的发展,轨道交通、智能电网对功率半导体提出了更高耐压的需求,工业控制、5G设备则需要更高的响应频率。
  第三代半导体材料可以满足现代社会对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求,且其拥有体积小、污染少、运行损耗低等经济和环保效益,因此第三代半导体材料正逐步成为发展的重心。
  当前主流的第三代半导体材料为碳化硅与氮化硅,前者多用于高压场合如智能电网、轨道交通;后者则在高频领域有更大的应用(5G等)。功率半导体市场主体被国外公司主导,在新一代半导体材料上国内公司也已取得一定成就,正在积极追赶。
  在碳化硅方面,国内公司已经逐步形成完整产业链,可以生产新一代的碳化硅功率半导体;在氮化镓方面,国内目前诸多高等院校、研究机构、公司厂商,已经进行了大量研究,拥有大量的专利技术;在氧化锌方面,国内已经成功生长出近两英寸的单晶片,处于世界领先水平。
 
  作为第三代半导体的代表材料,碳化硅市场发展迅速。据IHS数据,2017年的碳化硅市场总量为3.99亿美元,而在2023年将会达到16.44亿美元,年复合增长率达到26.6%。其中,发展最大的是新能源汽车领域,年复合增长率达到了惊人的81.4%。


  从二十世纪九十年代开始,碳化硅材料开始进入市场化。Cree上世纪末就开始进行碳化硅的研发工作,并在世界各国申请了多项专利,造成技术上的垄断,制约了其他公司的发展。
  罗姆半导体从2000年开始对碳化硅技术的研究,并在2009年收购了SiCrystal;英飞凌拥有雄厚的资本优势,这导致目前碳化硅市场主要由这三家把控。而碳化硅晶圆市场,则更是几乎由科瑞、罗姆半导体、II-VI国际公司垄断。

  在国内如扬杰科技、中车、中电13所等公司及研究机构也加大对碳化硅器件的研究,逐步打破国外公司的封锁,目前也已经形成完整的碳化硅产业链——即上游衬底、中游外延片、下游器件制造。

  整体而言,第三代半导体技术尚处于发展状态,还有许多不足之处。以当前运用程度最高的碳化硅为例,其技术上尚有几个缺陷:
  材料成本过高。目前碳化硅芯片的工艺不如硅成熟,主要为4英寸晶圆,材料的利用率不高,而Si芯片的晶圆早已经发展到12寸。具体而言,相同规格的产品,碳化硅器件的整体价格达到硅器件的5-6倍。
  高温损耗过大。碳化硅器件虽然能在高温下运行,但其在高温条件下产生的高功率损耗很大程度上限制了其应用,这是与器件开发之初的目的相违背的。
  封装技术滞后。目前碳化硅模块所使用的封装技术还是沿用硅模块的设计,其可靠性和寿命均无法满足其工作温度的要求。

  ▌硅基新材料:我国转型硅材料强国,碳化硅半导体蕴藏巨大潜力
  硅基材料应用广泛且重要,我国正从硅材料大国向强国转型
  硅基材料产品类型繁多,可分为无机硅和有机硅类,被广泛应用于航空航天、电子电器、建筑、运输、能源、化工、纺织、食品、轻工、医疗、农业等行业。
  主要领域有:1)高纯半导体:高纯的单晶硅是重要的半导体材料,可应用于各种集成电路、光伏电池等;2)合金:硅可以用于同其他金属结合制备合金,用以提升原有性能,如硅铁合金、硅铝合金等;3)陶瓷:制备成陶瓷材料,作为耐高温和结构材料,如碳化硅和氮化硅;4)光导纤维通信材料:纯二氧化硅可拉制出高透明度的玻璃纤维,是光导纤维通信的重要材料;5)有机硅化合物:是指含有C-Si键、且至少有一个有机基团是直接与硅原子相连的化合物,其产品按形态不同,主要分为硅橡胶、硅树脂、硅油和硅烷偶联剂。
  我国是硅材料生产大国,但在高端领域仍与国际一流水平有差距。我国硅产业的发展始于1957年,当时在苏联帮助下在辽宁建成并投产第一个工业硅单相双电极炉。
  经过60多年发展,我国硅产业已基本形成以有机硅、高纯硅、纳米硅材料、工业硅、高纯石英为支柱的完整体系。
  从规模上看,我国已成为全球硅材料生产大国,其中17年国内工业硅和有机硅单体总产能占全球比重分别高达78%和53%,硅产业蓬勃发展也带动了像合盛硅业、新安股份这样优秀企业的崛起。但是,在某些高端领域,例如半导体材料、硅基电池材料以及有机硅新材料等高附加值产品方面的技术积累、人才储备、应用规模上同国际先进水平仍有一定的差距。

  我国硅产业发展的优劣势:我国硅产业快速发展的核心优势是成本,主要体现在较低的资源(能源)价格、环境成本、资金成本以及较为充足的人力资源储备。
  劣势则主要在于技术和服务方面,具体包括企业竞争力总体偏弱,尚无世界级品牌,国际影响力不足;尚未掌握核心技术,环境安全和健康理念落后,历史欠账过多。
  从产业链角度看,若我国未来要完成从世界硅材料大国向强国转型,硅化工的产业升级之路势在必行。在我国硅产业完善的中上游配套基础上,注重研发和应用高端、高附加值的硅化工产品是摆在我们面前的核心议题。

  ▌第三代半导体材料—碳化硅SiC
  碳化硅半导体产业蕴藏巨大潜力,目前被少数发达国家垄断
  碳化硅半导体是继第一代半导体(硅Si)和第二代半导体(砷化镓GaAs)后的第三代半导体材料。
  性能方面,以碳化硅为代表的第三代半导体材料拥有更高的禁带宽度、击穿电场和热导率,其优越性能使其在微波功率器件领域应用中蕴藏巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。
  因此,日、美、德、俄等国都在花大力研究,目前被少数发达国家垄断封锁并对我国实施禁运。

  碳化硅半导体的完整产业链包括:碳化硅-晶锭-衬底-外延-芯片-器件-模块,其下游应用包括半导体照明、电子电力器件、激光器和探测仪以及其他应用。

  碳化硅半导体市场规模有望快速增长
  碳化硅器件正在广泛应用于电力电子领域中,典型市场包括轨交、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。
  根据法国知名电子供应链市场研究机构Yole数据,预计到2020年全球SiC应用市场规模将达到5亿美元,而到2022年市场规模将会进一步达到10亿美元,其中2016-20年的复合增速为28%,同时随着下游电动车产业驱动,2020-22年的复合增速将达到40%。

  全球碳化硅产业美欧日三足鼎立
  目前,全球碳化硅产业格局呈现美、欧、日三足鼎立格局,其中美国一家独大(全球70-80%的碳化硅半导体产量来自美国公司);欧洲在碳化硅衬底、外延、器件以及应用方面拥有完整的产业链;日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。
  阻碍国内第三代半导体研究进展的主要问题有:1.原材料瓶颈:制备SiC晶圆的设备较为空缺,大多需要进口;2.原始创新问题:相关科研院所和生产企业大都难以忍受长期“只投入、不产出”的现状;3.人才队伍建设问题。
  但是,与在第一代、第二代半导体材料及集成电路产业上的多年落后、很难追赶国际先进水平的形势不同,我国在第三代半导体领域的研究工作和世界前沿的差距相对较小,也积累了一定的基础,涌现了一批例如天科合达、山东天岳、泰科天润等在内的优秀企业。

  ▌国内碳化硅产业龙头:泰科天润、山东天岳
  泰科天润:国内碳化硅(SiC)功率器件产业化的领军企业
  泰科天润作为中国首家第三代半导体材料碳化硅器件制造与应用解决方案提供商,既是碳化硅芯片制造的龙头企业,也是支撑高端制造业的新兴力量。公司近期成功完成了新一轮的融资,参与的机构有三峡建信、广发乾和和拓金资本,已经完成了对泰科天润近亿元的C轮投资。
  几家产业资本大力进入碳化硅产业,将进一步推动国产碳化硅功率器件在工业各领域,尤其是新能源光伏逆变、电动汽车和变频空调等领域,实现更为广泛的产业化应用。
  当前国际碳化硅领域正在步入快速发展的阶段,国际碳化硅生产企业与上游材料厂商纷纷锁定长期供货合同,同时从下游来看,碳化硅功率器件在特斯拉等商业应用持续深化,这一方面刺激着国内对于新材料半导体领域的投资热度,另一方面又警醒中国碳化硅功率器件亟需加大力度、追赶国际同行。
  山东天岳:全球第4家碳化硅衬底材料量产企业
  山东天岳是全球第4家碳化硅衬底材料量产的企业,是中国宽禁带半导体材料领域当之无愧的独角兽。主要产品技术难度极高,全球仅4家量产。
  这家新材料企业自2010年建立,仅用8年的时间就成长为国际先进的碳化硅半导体材料高技术企业,其主要产品碳化硅衬底作为新一代半导体材料的代表,广泛应用于电力输送、航空航天、新能源汽车、半导体照明、5G通讯等技术领域。
  碳化硅半导体是5G通讯和物联网的基础材料。基于此,2016年山东天岳“宽禁带功率半导体产业链项目”被国家发展改革委纳入《国家集成电路“十三五”重大生产力布局》项目,这也是山东省唯一的纳入该重大布局的项目。近期企业高品质大尺寸宽禁带半导体碳化硅单晶衬底研发及产业化等三个项目列入山东省新旧动能转换重点工程项目,将成为新旧动能转换的有力助推器。(报告来源:国元证券、财通证券)