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面對(duì)“十四五”規(guī)劃窗口期,第三代半導(dǎo)體如何發(fā)力?
面對(duì)“十四五”規(guī)劃窗口期,第三代半導(dǎo)體如何發(fā)力?
來(lái)源:中國(guó)高新院 achie.org 日期:2020-09-24 點(diǎn)擊:次
在日前于南京舉辦的世界半導(dǎo)體大會(huì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上,與會(huì)專家紛紛表示,近年來(lái)我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程較快,基本形成了從晶體生長(zhǎng)到器件研發(fā)制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí),我國(guó)在高速軌道交通、新能源汽車、5G應(yīng)用等第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵市場(chǎng)的增速位居全球前列,為第三代半導(dǎo)體帶來(lái)巨大的發(fā)展空間和良好的市場(chǎng)前景,將催生上萬(wàn)億元潛在市場(chǎng)。第三代半導(dǎo)體為何如此被看好,有哪些重點(diǎn)應(yīng)用方向?我國(guó)第三代半導(dǎo)體企業(yè)該如何抓住發(fā)展機(jī)遇,提升生存和競(jìng)爭(zhēng)能力?
未來(lái)半導(dǎo)體的重要方向
材料貫穿了半導(dǎo)體的整個(gè)生產(chǎn)流程,是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要支撐。相比鍺、硅等第一代半導(dǎo)體,砷化鎵、磷化銦等第二代半導(dǎo)體,以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體具備耐高溫、耐高壓、抗輻射等特點(diǎn),特別適合制造微波射頻、光電子、電力電子等器件。
第三代半導(dǎo)體為何如此被看好?由于傳統(tǒng)工藝和硅材料逼近物理極限,技術(shù)研發(fā)費(fèi)用劇增,制造節(jié)點(diǎn)的更新難度越來(lái)越大,“摩爾定律”演進(jìn)開(kāi)始放緩。第三代半導(dǎo)體材料是“超越摩爾定律”的重要發(fā)展內(nèi)容,也是未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。
現(xiàn)階段,第三代半導(dǎo)體器件還難以在成本上與硅器件匹敵。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,第三代半導(dǎo)體在成本控制上展現(xiàn)出更強(qiáng)的潛力。一方面,由于硅材料的開(kāi)發(fā)逼近極限,降價(jià)空間所剩無(wú)幾,而第三代半導(dǎo)體隨著市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)提升,成本仍有較大的下調(diào)空間。另一方面,第三代半導(dǎo)體有利于降低電力系統(tǒng)的整體成本和能源消耗。
“基于碳化硅高頻、高效能、損耗小的特性,系統(tǒng)中的電感、電容、散熱器體積可以做得更小。目前碳化硅應(yīng)用還集中在高端應(yīng)用市場(chǎng),一旦到達(dá)‘甜蜜點(diǎn)’,也就是價(jià)格降到硅器件2.5倍左右,就能降低系統(tǒng)的整體成本,實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件市場(chǎng)的加速滲透。”基本半導(dǎo)體總經(jīng)理和巍巍表示。
新基建帶來(lái)廣闊空間
從20世紀(jì)80年代起,第三代半導(dǎo)體材料催生了照明、顯示、藍(lán)光存儲(chǔ)等光電領(lǐng)域的新需求和新產(chǎn)業(yè)。近十年來(lái),第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向電子器件領(lǐng)域,在光伏逆變器、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模塊、UPS、電力變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等涉及電力、電器、電子和新能源的領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。
今年以來(lái),小米、華為、OPPO、魅族等終端廠商接連推出氮化鎵快充,迅速提升了第三代半導(dǎo)體在消費(fèi)市場(chǎng)的用戶認(rèn)知度。使用氮化鎵和碳化硅的電源產(chǎn)品具有變頻效率高、抗高溫、高能效、輕量化等特點(diǎn)。隨著家電節(jié)能和能耗要求越來(lái)越嚴(yán),使用第三代半導(dǎo)體作為電源或家電變頻器將成為必然選擇。
而新基建的提出,再次讓第三代半導(dǎo)體站上風(fēng)口。在新基建的范疇中,5G、特高壓、軌道交通、新能源汽車四個(gè)領(lǐng)域與第三代半導(dǎo)體息息相關(guān)。
在5G基站領(lǐng)域,氮化鎵是最具增長(zhǎng)潛質(zhì)的半導(dǎo)體材料之一,將加速滲透5G基站所需的射頻功率放大器市場(chǎng)。研究機(jī)構(gòu)Yole指出,5G商用宏基站以64通道的大規(guī)模陣列天線為主,單基站PA需求達(dá)到192個(gè),預(yù)計(jì)2023年氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到13.24億美元。
對(duì)于碳化硅產(chǎn)業(yè),新能源汽車是未來(lái)幾年最重要的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力?!峨妱?dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015—2020年)》指出,到2020年,新增集中式充換電站超過(guò)1.2萬(wàn)座,分散式充電樁超過(guò)480萬(wàn)個(gè),以滿足全國(guó)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車充電需求。一方面,碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更小的體積,滿足充電樁體積小且支持多輛車快速充電的需求;另一方面,采用碳化硅MOSFET(金氧半場(chǎng)效晶體管)的新能源汽車逆變器,能從電池、車內(nèi)空間占用、冷卻系統(tǒng)等方面節(jié)約電動(dòng)汽車的總體成本。
碳化硅高溫、高頻、低損耗的特性,也將在特高壓和軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮作用。目前碳化硅已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)啟動(dòng)應(yīng)用,未來(lái),更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電對(duì)萬(wàn)伏級(jí)以上的碳化硅功率器件存在大量需求。同時(shí),將碳化硅應(yīng)用于軌道交通牽引變流器,將推動(dòng)牽引變流器裝置的小型化、輕量化發(fā)展,減輕軌道交通的載重系統(tǒng),推動(dòng)軌道交通的綠色、智能化發(fā)展。
與國(guó)際先進(jìn)水平仍存差距
第三代半導(dǎo)體的先天優(yōu)勢(shì),吸引國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體企業(yè)紛紛搶灘??其J、羅姆、意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美、恩智浦、三菱電機(jī)等歐美日領(lǐng)先廠商通過(guò)擴(kuò)充產(chǎn)能、投資并購(gòu)等方式,在第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)跑馬圈地。
隨著第三代半導(dǎo)體的戰(zhàn)略意義被廣泛認(rèn)知,國(guó)內(nèi)廠商加速布局,形成了包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、流片、封裝、系統(tǒng)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈條。但是在材料指標(biāo)、器件性能等方面,國(guó)內(nèi)廠商與國(guó)際先進(jìn)水平仍存差距。
和巍巍表示,國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體與國(guó)際巨頭存在差距,原因是綜合性的。一是起步略晚,在專利積累上有所滯后;二是海外公司在第三代半導(dǎo)體進(jìn)行了20~30年的長(zhǎng)期投入,在投資強(qiáng)度上具備優(yōu)勢(shì);三是具備工程經(jīng)驗(yàn)的人才相對(duì)稀缺。
“人才不像購(gòu)買設(shè)備,需要相當(dāng)長(zhǎng)的培養(yǎng)周期。微電子等相關(guān)專業(yè)的碩士生,普遍缺乏流片等工程經(jīng)驗(yàn),進(jìn)入企業(yè)之后需要進(jìn)一步的培訓(xùn),持續(xù)在實(shí)踐中積累,才能從畢業(yè)生轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪?jīng)驗(yàn)的工程師。所以,人才培養(yǎng)的時(shí)間成本還是比較高的。”和巍巍表示。
從產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)程來(lái)看,國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體在產(chǎn)業(yè)鏈的整合、完善程度上,仍有待優(yōu)化。一方面,國(guó)際第三代半導(dǎo)體大廠多采用IDM模式,具備更強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)鏈整合能力。芯謀研究首席分析師顧文軍表示,科銳等第三代半導(dǎo)體巨頭,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化,技術(shù)和工藝的整合程度較高,實(shí)現(xiàn)了具備差異化優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品和更高的良率。另一方面,國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體在EDA、高質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備等環(huán)節(jié)存在短板。和巍巍指出,國(guó)際EDA廠商往往和碳化硅廠商合作多年,積累了大量的數(shù)據(jù),仿真程度更高,而國(guó)內(nèi)EDA工具普遍缺乏第三代半導(dǎo)體的數(shù)據(jù)積累。
第三代半導(dǎo)體本身的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn),也增加了后發(fā)企業(yè)提升市場(chǎng)份額的難度。瀚天天成總經(jīng)理馮淦曾向記者表示,碳化硅面向大功率電力電子器件,對(duì)可靠性和安全性有著極高的要求,認(rèn)證周期較長(zhǎng)。一旦終端企業(yè)更換供貨商,將面臨產(chǎn)品的重新認(rèn)證,后發(fā)企業(yè)挑戰(zhàn)龍頭企業(yè)生態(tài)優(yōu)勢(shì)的難度較大。
抓住窗口期提升競(jìng)爭(zhēng)力
第三代半導(dǎo)體是國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目“重點(diǎn)新材料研發(fā)及應(yīng)用”的重要部分,近年來(lái)取得快速發(fā)展,其技術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景得到廣泛認(rèn)可。
第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)于坤山表示,推動(dòng)第三代半導(dǎo)體進(jìn)一步發(fā)展,一方面,要把握5G、新能源汽車、能源互聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)類電子、新型顯示等市場(chǎng)契機(jī),加速試點(diǎn)布局和產(chǎn)業(yè)化企業(yè)落地。另一方面,建議地方政府加強(qiáng)頂層布局,圍繞國(guó)家項(xiàng)目進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈配套,夯實(shí)支撐產(chǎn)業(yè)鏈公共研發(fā)和服務(wù)等技術(shù)平臺(tái),加速完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。
面對(duì)第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)窗口期,企業(yè)該如何提升生存和競(jìng)爭(zhēng)能力?和巍巍表示,作為企業(yè),一是要追趕國(guó)外最先進(jìn)水平,對(duì)標(biāo)最先進(jìn)的器件。二是完善老、中、青人才梯隊(duì)的培養(yǎng)。三是通過(guò)股權(quán)激勵(lì),以及參與、推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)人才的模式,提升人才待遇,更好地留住人才。
泰科天潤(rùn)董事長(zhǎng)陳彤曾向記者表示,后發(fā)企業(yè)要成長(zhǎng),必須抓住新舊技術(shù)迭代的窗口期。碳化硅是一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì),給了中國(guó)功率半導(dǎo)體企業(yè)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的契機(jī)。企業(yè)要利用貼近中國(guó)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì),以更快的反應(yīng)速度,抓住市場(chǎng)機(jī)遇。
對(duì)于提升國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)抵御能力,和巍巍指出,碳化硅等三代半導(dǎo)體采用升華再結(jié)晶的方式生長(zhǎng),相比拉單晶的硅材料,更容易出現(xiàn)缺陷,造成器件失效,這是國(guó)內(nèi)外廠商普遍面臨的難題。加上國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)際廠商在技術(shù)水平和營(yíng)收能力上仍存差距,一旦器件出現(xiàn)故障,可能會(huì)因?yàn)楦哳~的賠付蒙受巨大損失。如果能針對(duì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體器件推出試用保險(xiǎn),將為企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新注入更多信心。
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