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聚焦碳化硅产业
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中国产业信息网数据显示,预计导电型碳化硅衬底片全球市场规模将从2017年的4亿美元增长到2022年的16亿美元,乐观预测甚至能达到34亿美元。半绝缘型碳化硅衬底片全球市场规模将从2017年的4亿美元增长到2022年的11亿美元。

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Jul-2020

SEMICON CHINA 2020
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此次SEMICON展会是上海专业展首展、SEMI全球首展,其标志着全球产业复苏和中国集成电路产业推动全球发展。

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Jun-2020

将功率半导体新材料研发列入国家计划
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“2020年全国两会各民主党派提案选登”报道显示,民进中央拟提交“关于推动中国功率半导体产业科学发展的提案”。

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May-2020

氮化镓代工争夺战开打
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随著 5G、电动车等新应用兴起,对功率半导体需求增温,新一代材料氮化镓 (GaN) 挟著高频率等优势,快速攫获市场目光

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Jan-2020

聚焦碳化硅产业

July 29, 2020


碳化硅在大自然存在,既罕见的矿物宝石莫桑石。人类1905年第一次在陨石中发现碳化硅,现在主要来源于人工合成,是一种第三代宽禁带半导体材料,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和度以及更高的抗辐射能力,在电动汽车、电源、军工、航天等领域备受欢迎,为众多产业发展打开了全新的应用可能性,被行业寄予厚望。

而5G网络建设、大数据传输、云计算、AI技术、物联网等下游新兴需求,对网络传输速度及容量提出了更高要求。硅材料的负载量已达极限,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。

华为哈勃科技投资有限公司已投资两家半导体相关公司——碳化硅相关生产企业山东天岳先进材料科技有限公司以及电源管理芯片设计相关杰华特微电子(杭州)有限公司,用投资的方式来进入到芯片生产的上游,也表示华为正围绕芯片制造打造完整的供应能力,在为将来的5G通信、物联网设备甚至是电动汽车产品做准备。

其实,在《中国制造2025》在电子信息领域的规划中,就早已明确提出要大力发展第三代半导体产业,其中包括以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体电力电子器件制造成套工艺与装备。而碳化硅凭借出色的性能优势被众多应用行业寄予厚望。作为新兴的战略先导产业,碳化硅正被探索、应用到更多的领域,市场正呈现爆发式增长。


应用市场前景广泛,行业跨度大

碳化硅有许多用途,行业跨度大,可用于单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等、太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。

光伏领域是目前碳化硅器件最大的应用市场。光伏逆变器对光伏发电作用非常重要,不仅具有直交流变换功能,还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。国内逆变器厂家对新技术和新器件的应用还是太少,在光伏逆变器应用上或有突破。

新能源汽车是碳化硅功率器件的主要增长点,将会逐渐超过光伏领域。以直流充电桩为例,据CASA测算,电动汽车充电桩中的碳化硅器件的平均渗透率达到10%,2018年整个直流充电桩SiC电力电子器件的市场规模约为1.3亿,较2017年增加了一倍多。

微电子领域,碳化硅半导体的优势在1000V以上的中高电压范围。1200V以上的碳化硅应用领域有新能源汽车,光伏,机车牵引,智能电网等,高铁机车的牵引电压在6500V以上,地铁则一般在3300V左右。

半导体领域,基于碳化硅的电力电子、微波设备在军事、航天上均有大量应用。微波器件领域是整个碳化硅器件应用的一个细分市场。微波通讯在军用领域的一个典型应用是相阵控雷达,像美国的F/A-18战斗机,已经装备了碳化硅衬底外延氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)。还有地基导弹系统,像萨德系统中的核心器件就是碳化硅衬底外延氮化镓的HEMT,美军已基本全面装备使用,而我国仍未完全立项。射频微波领域对应于民用就是通讯领域,也是整个碳化硅半导体产业应用增长的关键领域。2018年6月,首个完整版全球统一5G标准正式出炉。5G的应用会大大推动碳化硅半导体产业化的进程。

基于碳化硅材料的功率半导体适合应用于高频高功率高工作电压的应用场合。例如,光伏储能和数据中心服务器领域,已经在广泛使用碳化硅器件,随着碳化硅MOS的工作电压的提高,未来高速铁路、风电等领域也是碳化硅的潜在应用市场。

航空领域,碳化硅制作成碳化硅纤维,主要用作耐高温材料和增强材料。耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布等;增强材料包括喷气式飞机刹车片、发动机叶片、着陆齿轮箱、机身结构材料等;还可用做体育用品,其短切纤维则可用做高温炉材等。

其他的应用方向像LED产品已实现产业化,是非常大的一个应用领域,但专利主要被美国Cree公司控制。

另外,碳化硅材料具有比硅更好的特性,但并非可以完全取代硅。作为最广泛的半导体材料,硅仍然具有它的不可替代的应用领域。


碳化硅器件市场被国外企业垄断

从产业链角度看,碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节,目前全球碳化硅市场基本已被国外企业所垄断。

在全球市场中,单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等,外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等,器件方面,全球大部分市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

由于碳化硅产业环节如芯片性能与材料、结构设计、制造工艺之间的关联性较强,不少企业仍选择采用IDM模式,如罗姆和Cree均覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件、模组全产业链环节,其中Cree占据衬底市场约40%份额、器件市场约23%份额。

碳化硅器件在国内光伏逆变器、车载充电器、充电桩等领域虽已开始应用,但国内市场上大部分碳化硅功率器件依赖进口,主要为Cree、Infineon、日本罗姆等占有。美国科锐Cree在碳化硅衬底材料、外延片、器件和模块领域占据着绝对领先地位。而英飞凌不久前宣布以1.39亿美元收购初创企业Siltectra,获得后者创新技术ColdSpilt以用于碳化硅晶圆的切割上,进一步加码碳化硅市场。X—Fab、日本罗姆等企业早些时候也相继宣布将扩大碳化硅产能,碳化硅产业海外重要玩家已开始备战。

碳化硅国内外主要涉及企业行业位置.png


备受关注的国内企业

据相关数据统计,中国约有碳化硅冶炼企业三百多家,年生产能力近三百万吨。碳化硅加工制砂微粉生产企业主要分布在河南、山东、江苏、吉林、黑龙江等省。中国的碳化硅冶炼生产工艺、技术装备和单吨能耗达到世界领先水平,黑、绿碳化硅原块的质量水平也属世界级。碳化硅粗料已能大量供应,但是技术含量极高的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。碳化硅晶片在我国研发尚属起步阶段,碳化硅晶片在国内的应用较少,碳化硅材料产业的发展缺乏下游应用企业的支撑。

事实上,目前整个碳化硅产业尚未进入成熟期。国内碳化硅产业仍处于起步阶段,与国际水平仍存在差距。在政府政策支持以及市场需求的驱动下,国内已初步形成了涵盖各环节的碳化硅产业链。随着碳化硅市场的发展,国内布局碳化硅等第三代半导体的企业有望受关注。

单晶衬底领域企业主要有山东天岳先进材料科技有限公司、北京天科合达半导体股份有限公司、浙江博蓝特半导体科技股份有限公司、河北同光晶体有限公司、中科钢研节能科技有限公司等;外延片领域企业主要有瀚天天成电子科技(厦门)有限公司、东莞市天域半导体科技公司等;器件模块IDM领域企业主要有中国电子科技集团有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、北京世纪金光半导体有限公司、泰科天润半导体科技公司、厦门芯光润泽科技有限公司、扬州扬杰电子科技股份有限公司、上海瞻芯电子科技有限公司,全球能源互联网研究院有限公司、深圳基本半导体有限公司等。

作为碳化硅半导体产业链中的中游产品,碳化硅外延晶片对整个产业起着承上启下的作用。

在碳化硅产业链上,目前福建不仅在中游企业中占据绝对优势,还拥有如闽东电机、东南汽车、金龙汽车、科华恒盛、中船重工等碳化硅器件的重要终端用户群。通过与这些用户的强强合作,以及终端产品市场的带动,可以形成材料、器件和应用的整个产业链互补式发展与整体提升。


面向未来的碳化硅

美国第三代半导体产业联盟、欧洲Smart PM(Smart Power Management)组织,日本“首相战略”等,均瞄准并投入巨资推动第三代半导体产业的研究与发展。大力发展第三代半导体产业已在国内外达成共识。

中国产业信息网数据显示,预计导电型碳化硅衬底片全球市场规模将从2017年的4亿美元增长到2022年的16亿美元,乐观预测甚至能达到34亿美元。半绝缘型碳化硅衬底片全球市场规模将从2017年的4亿美元增长到2022年的11亿美元。碳化硅存在很多优势,也存在不少问题,制作工艺、环保、价格在制约进一步发展。随着技术领域的新突破,必然对多个重要领域产生很强的推动作用。


——内容来源于IT 商业价值,存著作权归原作者所有。

内容如有侵权,请联系删除!


SEMICON CHINA 2020

June 30, 2020


作为SEMICON China半导体年度盛会中最不容错过的内容,开幕主题演讲(Grand Opening)于6月27日正式拉开帷幕。Grand Opening汇集了全球顶级行业领袖,分享全球业界领袖智慧和视野,是了解全球产业格局、前沿技术与市场走势的好机会。SEMI全球副总裁、中国区总裁居龙在致辞中表示,今年是特别的一年,他认为今年有三个特色。


其一是坚持,曲曲折折,排除万难。从1月国内、3月国外疫情爆发,国家实施签证管制,直到5月8号中疾控中心及上海市政策放松,5月13日正式批准,“可谓是关关难过关关过,真不容易。在此我代表SEMI特别感谢各级领导,包括上海市政府、经信委、商委、浦东会展办、中国电子商会,参展商、产业大佬、演讲嘉宾,及广大观众支持。因为你们的支持,这个会才能够如期举办。当然我要感谢SEMI、中国电子商会、Sanda团队过去半年的付出及努力。”


特别之二是SEMICON/FPD China作为今年电子半导体行业首展,复工复产,稳步前行,这是今年以来第一场大型的专业活动,“这是上海大型专业展会的首展,象征上海及中国在控制疫情的同时,经济复苏,稳步前行。这也是中国电子半导体产业2020年的首展。”


“第三个特点我认为这是一个指标,这次SEMICON China的举办也可以象征中国半导体产业复苏的一个重要指标。由于5G、新基建、智能应用,中国半导体市场的需求将带动全球产业的复苏。居龙表示,受疫情影响,此次展会面积达8万平米、有900多家展商大约3200个展位,展览覆盖芯片设计、制造、封测、设备、材料供应商等半导体全产业链,展会同期还有20多场论坛演讲。“这是一个产业复苏引领全球的指标。”SEMI总裁兼首席执行官Ajit Manocha在云致辞中表示,SEMICON/FPD China 2020的举办对于整个电子设计、电子生产企业来讲是一个令人振奋的里程碑,有望给以后会议树立大会标准。由于疫情很多全球活动都取消了,而SEMICON在线上线下能够成功举行,在此要感谢大家的全力支持。


“在畅想行业2020年将会去何方向时,我们首先预期行业会有前所未有的增长,但是现在我们面临着前所未有的挑战,除了疫情爆发的原因,全球经济危机、地缘政治、贸易摩擦以及一些全新的控制和监管,导致不少业务停摆。”尽管如此,SEMI依旧支持整个行业,展示行业当中坚忍不拔的精神,帮助行业迎难挑战。此外,SEMI正在积极地做游说工作,与政府进行沟通,以保证行业当前最根本的经济基石,为行业创造价值。



SEMI董事会主席、应特格微电子总裁兼首席执行官Bertrand Loy表示,作为全球半导体重要协会,SEMI代表各个国家地区以及全球半导体产业的多元化视角和观点。SEMI董事会的全球化思维,探寻行业机会、趋势、挑战,为产业界提供真知灼见,为上下游发声。SEMICON会议提供了全球复工复产的讯息,为行业找到商业机会。疫情之下,AI、5G、量子计算的热度依旧没有消失,经济数字化仍在加速。整个半导体行业,拥有着令人振奋的增长机会。SEMI此次举办的展会能够帮助企业复工复产。经济的数字化将加速增长,整个半导体行业接下来将有很多令人振奋的增长机会。



中国电子商会会长王宁为大会致辞。SEMICON/FPD China 2020展览会今天在上海隆重开幕。“在此我代表中国电子商会向出席展会的各位嘉宾、参展企业和广大观众表示热烈的欢迎。”疫情背景下,此次展会能够在工信部、上海市政府、有关的行业协会和部门以及参展企业的大力支持下,仍然能够举办,王宁对此表示非常感谢。


半导体和集成电路产业是我国非常重视的行业之一,是数字经济和未来科技发展的重要技术行业。“不过我个人认为半导体和集成电路行业中国与世界还存在着两大差距。”王宁指出,第一个是供给和需求之间的差距;第二个是在半导体制造技术上,我国和世界先进国家的水平还有很大的差距,尤其是在半导体材料、制造设备方面,对此,中国政府也一直非常重视行业的发展,积极采取各方面的支持政策。


虽然差距仍然存在,但我国近年来的半导体制造业在飞速发展。王宁特别希望每年的SEMICON China能够举办,为我国的半导体行业尤其是半导体制造技术提供巨大帮助。通过同期的展会与论坛,能够将世界上最先进的半导体制造、设备和研发领域的专家学者请到一起,在中国探讨未来半导体产业以及中国半导体行业的发展趋势。“随着疫情得到控制和解决,中国的半导体行业一定会进一步发展,我预祝本次会议和展会取得圆满成功。”



中国工业和信息化部原部长、中国工业经济联合会会长李毅中在现场带来了《应对挑战和风险 加强集成电路自主创新》主题报告,他指出,从半导体设备、半导体材料以及集成电路产业链各环节、结构来看,我国集成电路产业已有一定基础,但存在较大差距。面对疫情对全球带来的影响,我们要清醒把握疫后市场变化和国际环境潜伏的危机,对于疫后振兴发展集成电路产业,李毅中提出了几点思考:1)我国半导体市场广阔,对集成电路需求潜力大;2)聚焦关键技术,坚定本土芯片实现进口替代;3)加大投资、合理布局,加快半导体产业发展;4)冷静应对部分外资撤离,坚持扩大开放。


中国半导体行业协会理事长周子学作了嘉宾主题致辞,他说道,中国集成电路上半年形势逆势上扬,背后说明行业特殊性,不会跟旅游业、餐饮业一样,因为交通中断而受到毁灭性打击。在抗疫中,所用的电子信息产品,许多是增加的,尤其是网络产品。推到产业链商业,软就是软件,硬的部分都是集成电路,抗疫过程中,许多领域的集成电路应用是增长的。半导体是高度国际化产业,没有一个国家可以关门发展。这次抗击疫情经验再次说明,产业发展面临挑战时,需要秉持开放合作理念,加强沟通和交流。新应用新市场需要更加开放交流合作,共同推动产业创新和发展。


长江存储联席首席技术官程卫华带来了《探索闪存发展可能,共同迎接未来挑战》主题演讲。2020年是个不平凡的一年,这一年经历了新冠疫情的全球漫延,国际局势的变幻莫测,全球产业链合作受到了极大的冲击。同时疫情给人们的生活方式与半导体技术带来了改变。消费市场的变化驱动了SSD的需求,以及云上业务驱动企业级SSD需求增长。从全球市场综合发展来看,企业级SSD、电脑、智能手机将驱动SSD市场不断增长,预计到2024年,SSD的需求会占据闪存总量的57.7%,智能手机对存储器的需求占到27%。程卫华解读了长江存储3D NAND技术与解决方案产品的前沿动态,并探讨了疫情后全球NAND闪存技术与市场的发展趋势。“对长江存储而言,市场的容量足够大,机会足够多,还有很多高速率低延时的应用没有被充分开发出来,未来,长江存储将继续践行IDM模式,与上下游合作伙伴紧密携手,共同迎接未来挑战。”



意法半导体市场销售、沟通和发展战略总裁Marco Cassis在《半导体创新赋能关键行业趋势》演讲中指出,半导体是电子行业趋势的重要推动者,它的创新对于今天的电子技术发展趋势至关重要。Marco Cassis探讨了智能交通、电力与能源管理、物联网和5G相关的趋势创新,他强调碳化硅为许多关键应用赋能强大的优势。对此,ST的战略则是对上述趋势所需的基础技术进行长期战略投资,助力客户开发出超期望的产品与解决方案。比如对于汽车而言,其正在向安全、环境友好、互联性、数字化、电气化的方向转变。对于汽车数字化的变化,ST打造了Stellar系列产品,满足客户在该领域的需求与诉求。



紫光展锐首席执行官楚庆的主题演讲围绕《高科技企业的管理》展开。他比喻童年时期的初创企业就像哪吒,拥有三昧真火(原始能量),包括重要的原创技术、社会资源或关系,且创业团队要求没有私心杂念。当企业不断成熟则需要处理更多社会关系,此后更要注重流程的重要性。楚庆表示,流程是贯通高科技企业的血管,其作为运作的知识非常关键。同时创新是绕不开的话题,离开创新高科技企业就不存在。所有的创新来源于破除、释放资源、将资源在新框架中重组。创新是挺进无人区,首先是对方向的质疑和探索,“战略和创新的统一是高科技企业最重要的特征。”引用英特尔创始人格鲁夫的一句话:“这是一个10倍速发展的行业,只有偏执狂才能成功。”创新已是不得不做的事情,在企业成长的狂风中,我们还要依赖企业家精神不断拓展未来。



格芯高级副总裁及亚洲业务发展负责人Americo Lemos分享了《风暴中成长:新常态下的半导体业务》。他指出,如果行业和公司想要在新时代茁壮成长,就要思考经营之道,以便应对已经出现的挑战。如今,我们不能再依靠持续自由和开放的商品贸易,必须让企业在更分散的世界中运营做准备。其次,我们不能再依赖自由和开放的技术跨境流动,因为知识产权与许可技术日益受限。不过,新应用的驱动,如人工智能、5G、物联网、自动驾驶都使得产业发生革命性变化,为行业创新打开了大门。而为了促进行业创新,晶圆业务是真正的关键环节,促使创新成果能够更快速、更经济、更灵活地推向市场。



博世汽车电子中国区总裁Georges Andary通过《Bosch Semiconductors-We make the world safe,smart and accessible.》主题演讲指出,电子行业迎来了一个新的时代,电动化、自动化、网联化、智能化成为其强劲的驱动力。碳化硅(SiC)芯片具有低损耗同时电流转换效率高的特点,能够为电动汽车提供更多的动力。从全球SiC市场应用情况来看,2018年至2024年年复合增长率将达24%-29%,其中包括电动汽车、充电基础设施和铁路在内的移动设备将占据未来SiC市场的主要份额。Georges Andary指出,无处不在的MEMS传感器正向小型化、智能化、低功耗、高性能方向优化,预计2018年至2024年全球MEMS市场的年复合增长率将达到8%,“并且现在MEMS环境传感器和人工智能技术使新的解决方案成为可能。”



在最后的特别总结致辞中,上海市集成电路行业协会(SICA)会长张素心说道,此次SEMICON展会是上海专业展首展、SEMI全球首展,其标志着全球产业复苏和中国集成电路产业推动全球发展。张素心现场分享了三个观点,1)新冠疫情阻挡不住业界开放合作的热度;2)半导体是最为成功的全球工业界合作推动发展的典范;3)半导体长期向好发展的趋势不会改变。

2019年全球半导体市场进入低谷阶段,在全球行业不景气的背景下,中国集成电路取得了出色的表现,产业规模达到了7500多亿,同比增长15%。“所以中国的发展为全球经济的复苏注入了新的活力,创造了新的动力。” 张素心表示,如今,华虹集团正在制定下一个5年计划,将继续秉承收入规模与质量效益并举,成熟工艺与先进工艺并行,快速扩张与风险控制并存的原则,坚持一张蓝图绘到底,推动战略实施。


——内容来源于SEMI China,存著作权归原作者所有。

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将功率半导体新材料研发列入国家计划

五月22日, 2020


“2020年全国两会各民主党派提案选登”报道显示,民进中央拟提交“关于推动中国功率半导体产业科学发展的提案”。


近年来,国家出台了一系列政策措施支持和推动半导体产业发展,取得了较为突出的成效,已基本完成了产业链的布局,且在功率半导体领域呈现多点开花的良好形势。


但提案注意到,当前从全球功率半导体市场看,一方面传统的硅材料功率半导体仍然有巨大的发展空间,有研究显示全球市场的碳化硅及氮化镓等新材料功率半导体芯片市场应用量是约3亿多美金,硅材料功率半导体芯片市场应用量超过200亿美金。国际市场的 IGBT 芯片主流是硅材料5代、6代及7代产品,国际功率半导体行业认为,硅材料功率半导体材料已经有30多年的大规模市场应用验证,稳定可靠,价格低,尚有技术发展空间等特点,在未来至少7至8年左右仍是市场应用主流。另一方面以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料正蓬勃发展,而我国碳化硅、氮化镓功率半导体器件研发起步晚,在技术上仍有很大差距。可喜的是,在国家多项科研计划的扶持下,这方面已经大幅缩小了与国际的技术差距,并取得了不少成就。


根据提案,随着工业、汽车、无线通讯和消费电子等领域新应用的不断涌现以及节能减排需求日益迫切,我国功率半导体有庞大的市场需求,容易催生新产业新技术,在国家政策利好下,功率半导体将成为“中国芯”的最好突破口。为此,建议:


一、进一步完善功率半导体产业发展政策,大力扶持硅材料功率半导体芯片技术攻关,立项支持硅材料功率半导体材料、芯片、器件等设计和制造工艺流程技术。经过多年布局和发展,我国在硅材料 IGBT芯片技术方面有一定的技术基础和沉淀,可以将集中突破硅材料6代功率芯片产品设计及批量制造工艺技 术作为发展重点,采取先易后难、解决“有无”问题的发展策略,尽快实现功率半导体芯片自主供给。


二、加大新材料科技攻关。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。从产业发展趋势看,碳化硅、氮化镓等新材料应用于功率半导体优势明显,是下一代功率半导体的核心技术方向。目前碳化硅、氮化镓市场处于起步阶段,国内厂商与海外传统巨头之间差距较小,国内企业有望在本土市场应用中实现弯道超车。一是要把功率半导体新材料研发列入国家计划,全面部署,竭力抢占战略制高点。二是引导企业积极满足未来的应用需求,进行前瞻性布局。推动功率半导体龙头企业着力攻克一批产业发展关键技术、应用技术难题,在国际竞争中抢占先机。三是要避免对新概念的过热炒作。新材料从发现潜力到产业化,需要建立起高效的产学研体系,打造更加开放包容的投资环境。


三、谨慎支持收购国外功率半导体企业。通过收购很难实现完全学会和掌握国际先进的功率半导体芯 片设计及制造工艺技术,同时海外工厂制造的产品仍然存在着无法出口到中国的危险。

 

——内容来源于SEMI China,存著作权归原作者所有。

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氮化镓代工争夺战开打

January 07, 2019


苹果 iPhone X 採用 3D 感测技术后,半导体材料砷化镓因 VCSEL 等应用而声名大噪,近来随著 5G、电动车等新应用兴起,对功率半导体需求增温,新一代材料氮化镓 (GaN) 挟著高频率等优势,快速攫获市场目光;以中国台湾企业为代表的代工企业继站稳硅晶圆代工、砷化镓晶圆代工龙头地位后,也积极抢进氮化镓领域,力拚再拿代工龙头宝座。

 

半导体材料迈入第三代

 

半导体材料历经 3 个发展阶段,第一代是硅 (Si)、锗 (Ge) 等基础功能材料;第二代开始进入由 2 种以上元素组成的化合物半导体材料,以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等为代表;第三代则是氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等宽频化合物半导体材料。

目前全球绝大多数半导体元件,都是以硅作为基础功能材料的硅基半导体,不过,在高电压功率元件应用上,硅基元件因导通电阻过大,往往造成电能大量损耗,且在高频工作环境下,硅元件的切换频率相对较低,性能不如宽频化合物半导体材料。

硅基半导体受限硅材料的物理性质,而氮化镓、碳化硅则因导通电阻远小于硅基材料,导通损失、切换损失降低,可带来更高的能源转换效率。挟著高频、高压等优势,加上导电性、散热性佳,元件体积也较小,适合功率半导体应用,近来在 5G、电动车等需求推升下,氮化镓等材料崛起成为半导体材料明日之星。

不过,其实氮化镓材料广为人知,是始于 LED 领域,1993 年时,日本日亚化学的中村修二成功以氮化镓和氮化铟镓 (InGaN),开发出具高亮度的蓝光 LED,人类也因此凑齐可发出三原色光的 LED。

 

5G推升 氮化镓拥高频等优势而崛起

 

LED 领域发光发热后,近来受惠 5G、电动车应用推升,对高频率、高功率元件需求成长,市场对氮化镓的讨论声浪再度高涨。氮化镓主要应用于 600 至 1000 伏特的电压区间,具备低导通电阻、高频率等优势,可在高温、高电压环境下运作,但主要优势仍在于高频率元件,在高压与高功率表现上,虽优于硅基材料,但不如碳化硅材料表现亮眼。

从应用面来看,氮化镓应用包括变频器、变压器与无线充电,为国防、雷达、卫星通讯与无线通讯基地站等无线通讯设备的理想功率放大元件。

由于 5G 技术采用更高的操作频率,业界看好,GaN 元件将逐步取代横向扩散金氧半导体 (LDMOS),成为 5G 基站主流技术;且在手机功率放大器 (PA) 方面,因 GaN 材料具备高频优势,未来也可望取代砷化镓製程,成为市场主流。

现行的 GaN 功率元件,以 GaN-on-Si(硅基氮化镓)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)2 种晶圆为主,虽然 GaN-on-SiC 性能相对较佳,但价格大幅高于 GaN-on-Si,也使 GaN-on-Si 仍为目前市场主流,主要应用于电力电子领域,未来可望大幅导入 5G 基地台的功率放大器 (PA)。

 

看准庞大需求 晶圆代工厂积极抢进

 

看准了氮化镓这个机会,中国厂商正在积极推进。首先从台厂进度来看,磊晶硅晶圆厂嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶硅晶圆,已进入国际 IDM 厂认证阶段,并争取新订单中;而同属汉磊投控 集团的晶圆代工厂汉磊科,则已量产 6 吋 GaN on Si 晶圆代工,瞄准车用需求;晶圆代工龙头台积电 也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圆代工服务。

至于 GaN-on-SiC 磊晶晶圆,则在散热性能上具优势,适合高温、高频操作环境,主要应用在功率半导体的车用、工业与消费型电子元件领域,少量应用于通讯射频领域。目前 GaN-on-SiC 晶圆可做到 4 吋与 6 吋,未来可望朝 8 吋推进,惟磊晶技术主要集中在碳化硅晶圆大厂 Cree 手中,其在 SiC 晶圆市占率高达 6 成之多,几乎独霸市场。

不过,在晶圆代工产能方面,三五族半导体晶圆代工厂稳懋 已开始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工服务,应用瞄准高功率 PA 及天线;而环宇 - KY也拥有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 产能,且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆代工产能已通过认证。

晶圆代工厂世界先进也在 GaN 材料上投资超过 4 年时间,持续与设备材料厂 Kyma、及转投资 GaN 硅基板厂 Qromis 携手合作,著眼开发可做到 8 吋的新基底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST,今年可望有小量样品送样,初期主要瞄准电源领域应用。

5G 应用推升氮化镓材料需求,而除站稳硅晶圆代工龙头、砷化镓晶圆代工龙头宝座外,台厂在第三代半导体材料上,当然也不能缺席,包括硅晶圆代工厂、三五族半导体晶圆代工厂,均积极佈局氮化镓领域,以迎接 5G 时代下的半导体材料新革命。

当然在国内方面,也有多家厂商在大力投入,期望尽快看到他们开花结果的那天。

 

——内容来源于《摩尔芯闻》等,存著作权归原作者所有。

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