電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃晶晶）第三代半導(dǎo)體的火熱程度勿需多言，從氮化鎵電源適配器的規(guī)模放量到特斯拉搭載碳化硅模塊，再到國(guó)內(nèi)如火如荼地投資第三代半導(dǎo)體，這個(gè)產(chǎn)業(yè)被廣泛地看好。那么，2021-2022年第三代半導(dǎo)體的發(fā)展形勢(shì)如何呢？在日前舉辦的2022集邦咨詢化合物半導(dǎo)體新應(yīng)用前瞻分析會(huì)上，北京大學(xué)教授、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波、集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕等專家介紹并分析了第三代半導(dǎo)體技術(shù)/產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀等議題。

國(guó)內(nèi)外第三代半導(dǎo)體現(xiàn)狀與差距

第三代半導(dǎo)體，在國(guó)際上叫做寬禁帶半導(dǎo)體，主要以氮化鎵和碳化硅材料為主，主要應(yīng)領(lǐng)域包括光電子、射頻電子、功率電子三大方向。

沈波分析指出，射頻電子方面，第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用從軍用雷達(dá)開始，探測(cè)距離和功率密集是成正比的，而氮化鎵和砷化鎵相比，功率密度要高得多，因此它做相控陣?yán)走_(dá)有不可替代的優(yōu)勢(shì)。民用方面，在5G移動(dòng)通訊等應(yīng)用上氮化鎵也以其高性能逐漸取代Si基LDMOS得到廣泛應(yīng)用。

以新能源汽車、軌道交通為首的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ蓟韫β孰娮拥男枨蟠蠓嵘瑫r(shí)氮化鎵也在其中扮演重要角色。通用電源則是另一個(gè)對(duì)氮化鎵等功率器件需求旺盛的市場(chǎng)。尤其是電源適配器等已經(jīng)不斷拉升氮化鎵的使用量。

光電子仍然是第三代半導(dǎo)體當(dāng)中產(chǎn)能規(guī)模最大的應(yīng)用，包括LED照明、Mini/Micro-LED及其新型顯示應(yīng)用、深紫光固態(tài)光源等方向。半導(dǎo)體照明的節(jié)能效益已非常可觀，中國(guó)的替代率已接近40%，同時(shí)Mini/Micro-LED及其新型顯示應(yīng)用也在大力發(fā)展。

2020年功率電子的市場(chǎng)規(guī)模在50多億元，增長(zhǎng)率接近90%，射頻電子在60多億元，增長(zhǎng)率超過50%，長(zhǎng)期來(lái)看功率電子的規(guī)模將超過射頻電子。同時(shí)，受到5G、新能源汽車、充電樁、數(shù)據(jù)中心、快充等行業(yè)的規(guī)模發(fā)展拉動(dòng)，功率和射頻電子的市場(chǎng)規(guī)模未來(lái)有望和半導(dǎo)體照明市場(chǎng)并駕齊驅(qū)。

第三代半導(dǎo)體的核心技術(shù)包括在襯底、外延、芯片等環(huán)節(jié)。當(dāng)前，碳化硅襯底方面國(guó)際上6英寸襯底是主流，Cree已推出8英寸但尚未導(dǎo)入量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)碳化硅相關(guān)企業(yè)已達(dá)30多家，4英寸碳化硅襯底已經(jīng)成熟，6英寸導(dǎo)電型襯底已經(jīng)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，8英寸襯底與國(guó)際還有較大差距。

碳化硅芯片方面，針對(duì)碳化硅功率電子，國(guó)際上已經(jīng)完成多次迭代，二極管發(fā)展到第五代，三極管發(fā)展到第三代，IGBT也進(jìn)入產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入前期。車規(guī)級(jí)碳化硅模塊有意法半導(dǎo)體量產(chǎn)，羅姆、英飛凌、Cree等通過認(rèn)證，逐漸走向成熟。國(guó)內(nèi)碳化硅器件主要是二極管已經(jīng)量產(chǎn)出貨，碳化硅MOSFET還在量產(chǎn)導(dǎo)入前期，預(yù)計(jì)2022年工業(yè)級(jí)碳化硅MOSFET將會(huì)量產(chǎn)，車規(guī)級(jí)預(yù)計(jì)在2-3年后可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

此外，650以下的氮化鎵功率電子技術(shù)已基本成熟，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模量產(chǎn)。但在650伏以上平面結(jié)構(gòu)的氮化鎵功率電子的可靠性依然還有問題。

半導(dǎo)體照明從光效驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向成本驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)非常明顯，無(wú)熒光粉LED照明和長(zhǎng)波長(zhǎng)LED技術(shù)較為活躍。Mini-LED背光已經(jīng)規(guī)模量產(chǎn)，Mini -LED直接發(fā)光技術(shù)已經(jīng)可行，主要由于成本問題而沒有商業(yè)化。Micro-LED用于新型顯示則還有很長(zhǎng)的路要走。

工業(yè)、儲(chǔ)能、新能源汽車將大幅拉升第三代半導(dǎo)體的市場(chǎng)需求

據(jù)集邦咨詢預(yù)測(cè)，隨著電動(dòng)車滲透率的不斷升高以及整車架構(gòu)朝800伏方向邁進(jìn)，預(yù)計(jì)2025年全球?qū)iC的需求量將會(huì)達(dá)到169萬(wàn)片，其中絕大部分的應(yīng)用將會(huì)體現(xiàn)在汽車的主逆變器。受益于新能源革命，下游的光伏、儲(chǔ)能、新能源汽車以及工業(yè)自動(dòng)化的爆發(fā)，功率半導(dǎo)體行業(yè)迎來(lái)了新的高景氣周期，整個(gè)功率半導(dǎo)體、分離器件和模塊的市場(chǎng)規(guī)模將從2020年的204億美金增長(zhǎng)到2025年的274億美金，寬禁帶半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模將從2020年的不到5%達(dá)到2025年的接近17%。

龔瑞驕指出，特斯拉引爆汽車市場(chǎng)的碳化硅應(yīng)用。我們預(yù)測(cè)全球的SiC功率市場(chǎng)規(guī)模將從2020年的6.8億美元增長(zhǎng)到2025年的33.9億美元，其中新能源汽車將成為最主要的驅(qū)動(dòng)力，SiC將在主逆變器、OBC、DCDC中取得主要的應(yīng)用，另外在車外的充電樁和光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域有很大的應(yīng)用。在這兩年光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域SiC會(huì)有加速的滲透。

他還表示，GaN在消費(fèi)市場(chǎng)快速的起量，但整體還處于一個(gè)初期階段，蘋果今年推出了140瓦的GaN快充，我們也認(rèn)為GaN確實(shí)需要從消費(fèi)電子做一個(gè)過渡，反復(fù)驗(yàn)證它的可靠性，然后建立一個(gè)產(chǎn)能和生態(tài)的格局，方便以后推向工業(yè)級(jí)以及車規(guī)級(jí)。另外GaN整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)從2020年的4800萬(wàn)美元增長(zhǎng)到2025年的13.2億美元。除了消費(fèi)電子，它在新能源汽車、電信以及數(shù)據(jù)中心等也將有較大的成長(zhǎng)空間。

沈波表示，中國(guó)已經(jīng)形成了完整的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，從襯底、外延到芯片都有不少機(jī)構(gòu)從事相關(guān)研發(fā)工作，并且也掌握了材料技術(shù)。但在產(chǎn)品研發(fā)上特別是高端產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)廠商與國(guó)外差距較大。

從產(chǎn)業(yè)布局看，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要集中在長(zhǎng)三角、京津冀、珠三角（含閩三角）等區(qū)域。京津冀以研發(fā)為主，長(zhǎng)三角和珠三角（含閩三角）以制造為主，長(zhǎng)三角的電子更強(qiáng)，珠三角在光電子領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)。另外、武漢、西安、合肥、成都、重慶、南昌、濟(jì)南、長(zhǎng)沙、大連等城市也有一定規(guī)模的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

但沈波也同時(shí)認(rèn)為，如今全國(guó)范圍的第三代半導(dǎo)體投資熱潮，若都實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，近期恐將引發(fā)一定程度產(chǎn)能過剩。如何合理利用這些產(chǎn)能，他指出，以新能源汽車為例，現(xiàn)今的年出貨量在300萬(wàn)輛，但新能源汽車對(duì)碳化硅、氮化鎵器件的需求空間巨大，預(yù)期2025年年出貨量將達(dá)700萬(wàn)輛，這一增長(zhǎng)趨勢(shì)將帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體的需求量，從而逐漸的讓產(chǎn)能釋放。