第三代半导体大热，揭秘骗子露笑科技

露笑 科技 最近有点火啊。

在老师们骂他是骗子、“露笑 科技 把人整笑了”后，露笑 科技 也迎来大跌，跌了20%左右。

股吧、雪球众人都各持己见，论战不休。

但是并没有业内人士出来说道说道这个，这就有点神奇了。

行外看热闹，非专业人士说的东西，大家要有一些判断。

现代科学的发展进步，其实已经到了普通人很难理解的程度了，不信你看看下面这个“标准模型”的公式：

要是你不懂这个标准模型的话，第三代半导体，你也就是连入门都说不上了。

不知道老师们懂不懂这个啊。

01

首先简介一下第三代半导体

1. 导体和半导体

量子力学认为，组成物质的原子是由原子核和电子组成的，电子以电子轨道的方式在核外运动。

原子和原子组成物体时，会有很多相同的电子混在一起，这个相混的过程就是化学反应，形成化学键，就产生了新分子。

但是两个相同的电子没法呆在一个轨道上，为了让这些电子不在一个轨道上打架，于是很多轨道就再分裂出好几个轨道。

可是这么多轨道，一不小心挨得近了，就会挤在一起，形成宽轨道，这个宽轨道，就叫做能带。

有些宽轨道上，挤满了电子，电子就没法移动，宏观上就表现为绝缘，这个就叫做价带。

而有些款轨道，则空旷的很，电子大把空间自由移动，宏观上就表现为导电，这个就叫做导带。

固体里面充满了价带和导带，价带和导带之间往往是有间隙的，这个间隙就叫做禁带。

导带和价带之间挨得很近，那么电子就可以毫不费力地从价带变更车道到导带上，这就是导体。

如果稍微离得远了点，电子自身就不能跨过禁带，但是如果也不是离得非常远，禁带在5ev内，那么给电子加个额外能量，电子也能跨过禁带，这就是半导体。

假如禁带大于5ev，那基本就歇逼菜了，电子在普通情况下是跨不过去的，这就是绝缘体。

当然，凡事都有例外嘛，如果能量足够大，别说5ev的禁带，就是5000ev的禁带也能一冲而过，这个就叫击穿场强（这个东西很重要，不信继续看下去）。

当然，禁带越宽，击穿场强越高。

击穿场强越高，就越耐草。

2. 第三代半导体

不要被第三代给吓着了，哈哈。

第三代半导体，严谨地来说，叫做宽禁带半导体，也就是禁带宽于现在的硅基半导体。

按照半导体材料能带结构的不同，禁带宽度如果小于2.3ev，那就是窄禁带半导体，代表材料有：GaAs、Si、Ge、InP（有读者可能不了解化学，这几个材料翻译成中文就是：砷化镓、硅、锗、磷化铟）。

如果禁带宽度大于2.3ev，那就叫做宽禁带半导体，代表材料有：GaN、SiC、AlN、AlGaN（中文名：氮化镓、碳化硅、氮化铝、氮化镓铝）。

由前文分析，我们可知，半导体禁带宽度越大，则其电子跃迁到导带需要的能量也就越大。

呵呵，那当然击穿场强也越大了，这意味着材料能承受的温度和电压更加高。

由此可知，宽禁带半导体和集成电路，也就是和逻辑芯片，没有什么太大关系了。

逻辑芯片的核心在于怎么把晶体管做小，也就是制程提高。

而电力电子器件、激光器，则是怎么考虑承受更高的电压、电流、频率、温度，然后有更小的电力损耗，以应用在各种恶劣环境和大功率环境下。

想的是怎么耐草的问题。

所以，宽禁带半导体大展身手的地方，在电力电子器件、激光发生器上。

目前比较有希望的两种材料是碳化硅和氮化镓，其他的长晶很困难。

碳化硅主要用在功率器件上，现在最热的就是用在电动车上，因为带来电力损耗减少，能够提高电动车的续航。

以后在光伏和风电发电中，用上碳化硅的话，也能够提高发电效率，促进度电成本下降。

所以在这么一个政治家推动的电气化时代，其需求是很迫切的。

氮化镓则主要是用于微波器件上，比如5G基站的射频芯片就要用到它，否则效果就比较差。

特别是军方的电磁对抗，更加需要氮化镓，来增加单位微波功率。

在5G时代，氮化镓是不可或缺的。

02

露笑是个大坑吗

国内的话，研究宽禁带半导体主要有3个流派，中科院物理所、中科院上海硅酸盐所、山东大学，最主要的研究方向就是宽禁带半导体衬底的晶体生长。

因为这个行业最源头的，以及最难的，就是衬底片的制造。

就像硅基的半导体，要是没有硅片，那做毛个芯片呢？

这三个流派都是90年代开始就开启研究了，起步时间和国外是差不太多的，读者有兴趣可以自行搜索下他们的论文。

中科院物理所是陈小龙领头，成立产学研转化的企业是天科合达。

这个企业去年撤回了IPO，有些奇怪。

坊间传闻，据说是陈小龙出走了。

天科合达的金主是新疆生产建设兵团，控股方是天富集团，A股的影子股是天富集团控股的天富能源，占了10.66%的股份。

山东大学是徐现刚领头，产学研的企业是山东天岳。

原本的领头人是徐现刚的老师蒋民华院士，遗憾的是这位大佬不幸于2011年逝世，事未竟而身先死，科学真的是烧人的事业啊。

这里向领路的大佬致以崇高的敬意！

山东天岳前段时间参加了上市辅导，相信很快就会跟大家在A股见面。

大家对他的热情也是非常高涨啊，穿透下来只有他股权2%的柘中股份都被资金顶了7个板。

中科院上海硅酸盐所，则是陈之战领头。

陈之战之前在世纪金光干过，后来20年5月份，和露笑 科技 走在了一起。

这个露笑 科技 ，算是最近的股吧热门了。

涨了一倍之后，前几天就出来自媒体的老师们在微信公众号、抖音等平台出来说，这是家蹭热点的骗子公司。

对比大家一定要有自己的判断，要知道这些老师并不是业内人士，很有可能不懂技术，只是翻了一下二手资料。

露笑 科技 曾经追逐热点，投资的锂电池、光伏也都失败了。

但是并不能以此推导出他的管理层就是坏家伙。

露笑 科技 原来的主营业务漆包线，是人都知道的传统行业，竞争激烈，管理层当然也知道这是没有什么前途的。

谋取转型，某种程度上说明管理层是有进取心的。

但转型是困难的，踏足一个未知领域，哪有这么简单。

这个头疼的东西，山西的煤老板们最清楚了。

而做一级投资的都知道，热门行业的好项目，是拼爹的玩意儿，要各种关系、资源的，那个东西是你手上有钱就能投的进去的吗？

但是如果没有投到厉害的公司身上，那大概率是要被有爹的给干死的。

在低潮期捡漏，像高瓴投腾讯、段永平投网易，都是高难度动作，传奇故事，需要天时地利人和来配合，这种机会不仅是少，而且非常难把握。

碳化硅这个东西嘛，以往并不是很热，因为商业化应用的领域没有出来。

陈小龙在媒体采访时就曾经透露到，天科合达在成立后的10多年里未曾盈利，给投资方和团队都带来了非常大的压力。

而美国军方扶持起来的CREE，就算有军方爸爸，但是在2016年的时候也顶不住，想要把企业卖给英飞凌。

而电动车领域里，就在2020年，特别疫情期间，大家还怀疑，补贴退坡之后，会不会就面临死亡了。

当时还有人专门写了《预言一场电动爹大逃杀》来看空呢。

那你们想想，碳化硅器件目前最好的应用场景，在去年都还是这个熊样，谁又会多留意碳化硅呢？

当时的大热门还是功率器件的国产替代，是硅基的IGBT、MOSFET，是斯达半导体、新洁能。

所以20年露笑 科技 找到陈之战，或许和以往的投资，有些不同吧。

国内碳化硅衬底还局限在二极管的应用，芯片质量主要来自于衬底，也因此几乎国内SiC器件都来自国外。

目前碳化硅四寸片，做的比较好的是天科合达、河北同光以及山西烁科等几家企业。

但是六寸量产（每个月稳定出货量在几百片）的厂商，目前还基本没有。

也就是说，三大流派其实还是半斤八两，都还需要突破，否则华为怎么对天科合达和山东天岳都一起投资呢？

当下这个阶段就是，谁能率先突破，谁就会享有先发优势，并在行业景气的助力下，实现超额收益，获得市场的估值溢价。

或许当合肥露笑半导体的碳化硅衬底片出来后，华为也会进来投资一笔呢。

合肥市政府号称最牛风投，人家可不是傻子。

至于说露笑 科技 没有技术积累，这真不知道怎么说，陈之战大哥和他的团队、学生已经研究了20多年了。

很可能是，露笑 科技 的蓝宝石业务部门，19年在给中科钢研代工碳化硅长晶炉的时候，突然发觉这是个有戏的行业，随后才找到了陈之战。

总之，对于露笑 科技 ，大家要有自己的判断，核心点有且只有一个，陈之战团队能不能扎下根来。

最后，做个总结。

君临认为，目前碳化硅的投资，最好的应该是衬底环节，这个环节现在产能不足、壁垒极高。

而衬底的企业，则主要是看已经研究了20多年的国内三大流派旗下企业。

按照中国的科研环境、功率器件企业发展状况来说，其他的团队压根没法分杯羹。

材料技术是积累出来的，烧人烧时间，更加烧钱。

现在行业热了再来开始研发，短时间根本不可能见效。

中科院的两个研究所，山东大学蒋院士的团队，科研的资源肯定是最丰富的，但是人家陈小龙都说压力很大，所以别的团队申请科研基金都不容易。

露笑 科技 说9月份能试生产，年底批量生产，而且是6英寸的，有陈之战在，应该不是讲大话。

一旦衬底片年底真的量产了，那就是国内领先了，以国内资金对 科技 的热度，自然会有神秘的东方估值力量。

宽禁带半导体领域里，全球都还是在懵懵懂懂的阶段，咱们和美国虽然有差距，但也不是这么大。

特别是他的主要应用领域，新能源发电、新能源 汽车 、5G通讯、航空航天、电磁对抗，咱们国家都是最大的应用市场和制造商，特别是光伏、风电、电动车、5G这些大规模民用的领域。

技术的进步还是源自经济利益的驱使，产业的需求对于技术进步的作用是最大的。

所以宽禁带半导体的投资在目前是大有可为，很有可能在我们国家诞生全球龙头，这个想象空间大不大？

至于氮化镓等材料，以及外延、器件设计制造等环节，行业本就是新兴的，肯定也是有大机会的，君临会在后续的跟踪文章中持续输出，带领读者彻底搞定这个领域。

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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