今年,双碳成为主旋律,随着“碳中和”时代来临,以SiC、GaN为主的第三代半导体将在新型显示、新能源汽车、5G、光伏储能等下游应用市场迎来发展机遇,受益于这些下游应用领域需求的增加,以及国内产业政策的推动,中国第三代半导体产业也正在爆发巨大的发展潜力。


日前,在TrendForce集邦咨询主办的化合物半导体新应用前瞻分析会上,来自北京大学教授,宽禁带半导体研究中心主任沈波教授,以及Wolfspeed、罗姆、英诺赛科等化合物半导体领域的学术界和企业界的代表就相关技术、应用和发展趋势进行了深入探讨。

 

化合物半导体新应用前瞻分析会


国内产业现状和趋势

 

沈波指出,第三代半导体材料和芯片在我国新基建等领域发挥着重要作用,如5G基站、充电桩、新能源的驱动、特高压、轨道交通等都跟第三代半导体密切相关。而中国制造2025中相当一部分产业也和第三代半导体有关。


射频电子、功率电子和光电子是第三代半导体的主要应用领域。沈波表示,GaN基半导体在射频电子领域的应用是从军用雷达开始的,而5G移动通讯的兴起则推动了GaN基射频电子器件的民口应用。
在功率电子方面,第三代半导体在新能源汽车、轨道交通和高效通用电源等领域均有重要应用,特别是新能源汽车、通用电源市场巨大,虽然目前还是以硅功率器件为主,但第三代半导体器件已经开始在应用。


光电子是目前第三代半导体中产能规模最大的应用,包括照明、显示、紫外光源等。其中半导体照明在中国的替代率已经接近40%,位居世界前列。除了照明,还有医疗健康的紫外杀菌固态光源;在显示方面,LED屏、Mini LED、Micro LED的新型显示、激光显示等都用到GaN基光源。


沈波表示,国内第三代半导体从研发到应用已经进入一个跨越阶段,虽然现在已经实现了一定量的产业化,但是依然还存在很多问题和挑战,处于研发和规模化量产跨越的阶段,其特征就是资本加速布局,产能逐渐提升。


从市场趋势看,国内第三代半导体目前还是以半导体照明为主,功率电子和射频电子总产值只有100多亿,但增长很快,增长率超过50%。此外,受到国家十四五的拉动,5G、新能源汽车、充电桩、数据中心、快充等行业的规模发展预期非常快,相关电子材料和器件的市场规模未来很有可能和半导体照明并驾齐驱。


在SiC衬底材料方面,目前国内已经有30多家企业。沈波表示,目前国内的SiC衬底4英寸已经比较成熟,6英寸导电型的衬底也已经规模产业化,但是8英寸衬底还有一定的问题。在SiC功率电子方面。

 

目前国际上已经完成了多代迭代,虽然8英寸的技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流。在车规级的SiC模块上,在ST率先通过认证后,包括罗姆、英飞凌、科锐等也已经通过了认证,国际车规级的SiC产品已经逐渐走向成熟。反观国内,真正量产的主要还是二极管MOSFET还在量产导入的前期,车规级还要等待更长时间才能真正实现量产。

 

沈波表示,中央和地方政府已经意识到第三代半导体的重要性,安排了多个国家和地方科技计划推动第三代半导体材料、芯片和应用的研究和产业化。


如果说,我国十三五期间已经解决了从无到有的问题,那么十四五的目标主要是解决用的问题和卡脖子问题,实现第三代半导体全产业链能力和水平的显著提升。


热点应用和技术发展


从国内第三代半导体的应用看,电动汽车无疑是最大的市场之一。Wolfspeed华南区销售总监柯鸿彬表示,主驱、OBC、DCDC,以及热泵空调都是SiC的主要市场,并且国内一些车厂在SiC主驱逆变器和全车SiC的应用上非常快,甚至超过欧美。另外,光伏和储能、快速充电充电桩,以及服务器电源通信电源、轨道交通和变频器都是未来SiC的主要市场。


市场调研机构数据显示,电动汽车尤其是插电式汽车将有一个快速的增长,预测到2027年的年复合增长率达到25.8%。罗姆高级工程师罗魁表示,在这一应用中,利用SiC能提高效率,减少冷却系统的尺寸、简化设计并耐高压,通过这些特性,可以解决电动汽车现在的痛点,增加续航里程。


从实际导入情况看,目前在汽车应用中真正量产SiC主要是OBC和DCDC。罗魁表示,SiC方案的价格较高,目前部分客户难以接受,针对这个情况,罗姆推出的折中方案,是混合IGBT的方案。其原理是将IGBT中的一个二极管,由传统的硅变成SiC,混合IGBT方案兼顾了成本和效率。目前,业界有几家企业在做混合IGBT方案,罗姆的方案已经推向了市场。


随着Mini LED、Micro LED显示技术进程的发展,硅衬底GaN的应用有望升级。晶能光电外延研发经理郭啸表示,全球LED显示屏市场从2021年到2025年,复合增长率将达到18.8%,到2025年将达到千亿级别,其中小间距的复合增长率达到19%,微间距的复合增长率达到75%。


据郭啸介绍,目前RGB Mini LED显示屏的的实现方案主要有三种:第一种是水平方案,蓝绿用普通的TS芯片,红光用垂直芯片。第二种是垂直方案,红、蓝、绿都可以用垂直芯片,其中绿光和蓝光用的是硅衬底的垂直芯片。第三种方案是倒装方案,红、蓝、绿都用倒装的芯片。


三种方案比较而言,在P1.25~P0.9mm范围,主要以1010方案为主,普通的TS方案因为价格比较低,占据主流中低端市场,而垂直方案和倒装方案竞争高端市场。垂直mini芯片方案封装工艺成熟度高,现有封装设备可以完全通用,倒装mini需要增加大批的设备,因此垂直mini方案成本只有倒装mini方案的一半。


在更小的P0.9~P0.6mm范围,普通的TS方案很难保证良率及突破物理空间的极限限制,只有垂直和倒装方案能满足要求。其中垂直mini方案比倒装mini方案成本更低;对于最小的P0.6~P0.3mm的间距,普通的蓝宝石倒装方案在此尺寸工艺较有挑战性,而基于硅衬底的GaN薄膜LED倒装芯片通过去除硅衬底,在两个PAD蒸发20um左右高度的锡柱,可制成3~5um厚度的薄膜芯片,在芯片良率和贴片良率方面更有优势。


Micro LED具有低功耗、高对比度、高亮度、超高解析度和色彩饱和度、高刷新率、寿命长、稳定性好、宽色域、宽视角、透明性、无缝衔接等特点,但也存在一些难题,包括巨量转移、巨量修复、巨量检测、全色显示、高成本等。


郭啸表示,相对于成熟的OLED面板,Micro LED的开发和产业化还面临一定的困难。Micro LED的一个主流技术路线是利用硅衬底GaN LED上的湿法去衬底技术来保证制程良率,并且由于硅衬底GaN与硅半导体晶圆的工艺兼容性,可以最大效用成熟的硅半导体制程。晶能光电优先着力无巨量转移高PPI的Micro LED光引擎开发,硅基GaN LED与硅基CMOS驱动背板进行晶圆级邦定,应用于AR、VR、HUD、HMD等方向。


华灿光电副总裁王江波表示,Micro LED的商业化进程会有两个方向:一个是大屏幕,包括电视、显示屏;另一个是小屏幕,如可穿戴、AR、VR。Micro LED有很多技术的挑战,从外延材料到芯片加工、转移、全彩化、控制、修复等等,整个产业链需要上下游一起联合开发来共同攻关解决包括良率、光效、以及小电流注入等问题。


英诺赛科高级经理贺鹏认为,就GaN未来市场的应用机会而言,除了已经大规模出货的消费电子,在智慧照明、机电转换、数据中心、智能电动和智能光储上将有广泛的应用。在11月月22号,国家工信部和市场总局联合印发电机能效提升计划(2021—2023年)的通知,以助力实现碳达峰和碳中和的目标。该计划提出到2023年,高效能电机量产达到1.7亿kWh,在役高效节能电机占比达到20%以上,实现年阶电量490亿kWh,相当于年节约标准煤1500万吨,减排二氧化碳2800万吨。


贺鹏认为,该计划中有三点值得关注,首先是计划中对电机系统的产品做了一个罗列,包括风机和水泵,另外计划中反复提出高效能电机系统的研发技术,第三点是电机系统的一体化设计。而这些都是GaN可以发挥价值的应用。


AIXTRON(爱思强)副总经理方子文表示,SiC和GaN是一个非常大的市场,也是在和硅直接做竞争的市场,需要整个产业链上下游的配合,不光只是在性能上,在量产、终端客户验证上也都需要很好的配合,才能让SiC、GaN最终实现规模化量产,进入产业化的进程。


全球最主要的功率半导体厂商基本上都是IDM模式,集邦咨询化合物半导体分析师龚瑞骄认为,这主要是基于两个原因,一是功率半导体产业高度定制化,需要设计与制造的高度协同;二是功率半导体制造环节拥有非常高的附加值,这也是IDM模式的原因。


相对硅来说,SiC和GaN提高了电源开关转换效率,并且能够降低损耗,因此能够促进终端设备的节能提效,这也是实现碳中和的一个重要方式。另外,在国家构建新型电力系统规划中,涉及到宽禁带半导体。


市场投资已经反映出宽禁带半导体的前景。据集邦咨询统计,去年整个宽禁带半导体的投资规模达到了709亿,比上一年翻了一倍多;融资方面,今年有很多SiC和GaN的厂商获得了融资,如SiC领域的泰科天润、同光晶体等,GaN领域也有众多公司获投。


集邦咨询预测,全球SiC功率市场规模将从2020年的6.8亿美元增长到2025年的33.9亿美元,其中新能源汽车将成为最主要的驱动力,SiC将在主逆变器、OBC、DCDC中取得主要的应用,另外在车外的充电桩和光伏储能领域有很大的应用。


在GaN的市场,整个市场规模将会从2020年的4800万美元增长到2025年的13.2亿美元。除了消费电子,新能源汽车、电信以及数据中心也将成为规模市场。不过,目前GaN还处于一个初期阶段,在消费市场有快速放量,龚瑞骄认为GaN需要从消费电子做一个过渡,反复验证它的可靠性,然后建立一个产能和生态的格局,方便以后推向工业级以及车规级。