近期 阿里巴巴達摩院發布2021年十大科技趨勢 “第三代半導體迎來應用大爆發”位列第一。達摩院指出 第三代半導體的性價比優勢逐漸顯現并正在打開應用市場。未來5年 基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數據中心等場景。

“性價比優勢”是形成市場穿透力的敲門磚。長期以來 第三代半導體受限于襯底成本過高、制備困難、應用范圍小等因素 成本居高不下 限制了市場接受度的提升。隨著應用空間逐漸拓展 制備技術日益成熟 第三代半導體逐漸從產品導入期走向市場拓展期。但也需看到 國內第三代半導體企業多處于研發或小批量供貨階段 要實現第三代半導體的規模化商用 還需要產業鏈上下游的共同作為。

性價比優勢日益凸顯

半導體領域素有“一代材料、 一代技術、 一代產業”的說法。作為產業鏈最上游的核心部分 材料的影響力貫穿半導體產業始終 不僅用于制造和封測工藝 也直接影響芯片的供貨效率和性能質量。

“小巧、高效、發熱低”——小米董事長雷軍對氮化鎵充電器的評價 道出了第三代半導體的性能優勢。相比硅材料 第三代半導體擁有耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等先天優勢 相比硅器件可降低50%以上的能量損失 并減小75%以上的裝備體積。

不過 第三代半導體雖然優勢顯著 卻尚未進入大規模化商用階段。由于制備工藝成熟、自然界儲備量大且應用廣泛 硅器件形成了難以逾越的價格優勢。相比之下 第三代半導體的單晶及外延材料價格昂貴 制備工藝難度較大且襯底成本高。相比傳統6英寸硅襯底 碳化硅襯底的價格高出數十倍之多。

既然價格上缺乏優勢 第三代半導體的性價比優勢 體現在哪些維度？

“第三代半導體器件的性價比主要體現在綜合開銷上。” 阿里達摩院十大科技趨勢項目組專家告訴記者。

據該專家介紹 得益于第三代半導體電力電子器件的高頻特性 圍繞器件布局的無源元件可減小和減少 從而減少物質開銷;其次 器件高壓特性可以使部分多級降壓或升壓模式改變為單級模式 有效減少元器件數量;此外 器件耐高溫特性可以使模組或系統散熱成本有效降低 目前正在快充、逆變器等應用中逐步體現。

碳化硅供應商基本半導體向記者提供的資料顯示 在新能源汽車使用碳化硅MOSFET 90-350kW逆變器時 可減少6%~10%的電池使用 并節省空間占用及冷卻系統需求。雖然碳化硅器件的成本增加值在75~150美元 卻節約了525~850美元的綜合開銷。

這種系統性成本優勢 可謂第三代半導體的“殺手锏”。

同樣值得注意的是 雖然硅器件成本優勢顯著 但價格下降空間已所剩無幾。相較之下 第三代半導體尚有充足的降價空間。

CASA Research數據顯示 耐壓600V-650V碳化硅SBD在2019年的均價是1.82元/A 較2017年年底下降了55.6% 與硅器件價格差距縮小到2.4倍左右。1200V碳化硅SBD雖然與硅器件的價格差距在5倍左右 但均價較2017年下降了37.6%。

這種降價幅度 在硅產業已經難以想象。隨著5G、新能源汽車等下游市場對第三代半導體的需求上揚 以及制備技術特別是大尺寸材料生長技術不斷突破 第三代半導體的性能日益穩定且價格持續下探 性價比優勢將持續凸顯。

規模商用尚需時日

市場邊界的拓展 讓第三代半導體從半導體照明等小批量應用 走向了更加廣闊的市場空間。但也需看到 國內第三代半導體企業多數處于研發、項目建設或小批量供貨階段 對企業營收的貢獻比例較低 第三代半導體的大規模商用尚需時日。

達摩院十大科技趨勢項目組專家向記者表示 第三代半導體要走向規模化、商用化 至少要滿足五個條件：一是細分領域的代際優勢獲得市場進一步驗證;二是元器件可靠性可滿足整機廠商對消費端、工業端等的差異化需求;三是應用端利潤能基本覆蓋材料到制程的投入;四是面向第三代半導體器件與電路的專業工程師群體的成長;五是代工體系能有效支撐通用芯片的穩定供貨。

“產業鏈必須在第三代半導體優勢應用領域和細分環節做縱深整合和迭代嘗試 突出應用需求牽引 才能使產業鏈具備內生動力。同時 要發揮政策及龍頭企業的帶動優勢和區域優勢 通過垂直整合和兼并重組 做強優勢方向 重視材料與制程的協同突破 加強知識產權保護和第三代半導體產業人才的培養。”該專家指出。

賽迪顧問新材料產業研究中心副總經理楊瑞琳也向記者表達了類似的觀點 第三代半導體的規模化商用 要以應用為牽引 關注5G、新能源汽車充電樁、特高壓及軌道交通四大“新基建”領域的市場機會 以核心技術突破及量產技術落地加速產業化進程 推動產業上下游協同發展。

“對于企業而言 首先要通過擴大產能 降低固定成本 推動晶圓成本降低;同時 基于大尺寸材料生長技術等更加成熟的制備技術 通過更大尺寸的襯底降低器件的加工難度和生產成本。此外 可與大客戶簽訂長期合作合同 提升供應穩定性。” 楊瑞琳說。

從市場穿透力來看 在高溫、強輻射、大功率等特殊場景 第三代半導體差異化優勢顯著。但在功率器件等被視為第三代半導體適用性最強的市場 硅材料仍占據主導地位。綜合中國電子標準化研究院和Yole數據 2019年碳化硅、氮化鎵電力電子器件市場滲透率約為2.5% 尚處于產品導入階段。

“由于襯底成本過高 制程條件相對困難 第三代半導體市占表現長期受限 預計10年后市占仍將低于整體半導體市場的一成以下。”TrendForce集邦咨詢分析師王尊民向記者表示。

即便性價比優勢在電動車、無線充電器、能源轉換器等產業逐漸凸顯 讓下游客戶從已經成熟的硅產品線切換到第三代半導體 絕非一蹴而就。需要產業鏈各環節在成本控制、產品指標、市場選擇上 做出更加合理的部署 做好持久戰的準備。

“第三代半導體要走向規模及商用化 現階段主要考量如何有效降低襯底價格及提高尺寸大小 后續再配合不同材料的制程條件開發（如硅器件開發流程一般） 持續滲透功率半導體領域 相信企業發展將逐漸步上正軌。” 王尊民表示 “第三代半導體尚處于產品銷售的成長階段 多數從業者將發布差異化的產品并鎖定特定市場 找尋合適的應用場景。預計2021年 第三代半導體將維持百花齊放之勢 廠商將持續推出產品并挑戰不同的市場機會 提升企業知名度 開拓未來發展空間。” 責任編輯:tzh