“碳中和”第三代半導(dǎo)體未來(lái)可期

為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”?？商嵘茉崔D(zhuǎn)換效率的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在開(kāi)啟發(fā)展加速度，有望成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。目前，第三代半導(dǎo)體的觸角已延伸至數(shù)據(jù)中心、新能源汽車(chē)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，整個(gè)行業(yè)漸入佳境，未來(lái)可期。

第三代半導(dǎo)體可提升能源轉(zhuǎn)換效率

以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率等優(yōu)勢(shì)，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，是助力社會(huì)節(jié)能減排并實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要發(fā)展方向。“碳中和”趨勢(shì)浪潮下，可提升能源轉(zhuǎn)換效率的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在開(kāi)啟發(fā)展加速度，有望成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。

GaN功率組件市場(chǎng)規(guī)模

Source：TrendForce， Mar 2021

在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣上升之際，很多企業(yè)都對(duì)此領(lǐng)域青睞有加，展開(kāi)資本布局。近期，聞泰科技全資子公司、全球功率半導(dǎo)體領(lǐng)先企業(yè)——安世半導(dǎo)體宣布與國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)龍頭公司聯(lián)合汽車(chē)電子有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)UAES）達(dá)成合作。雙方將在功率半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）領(lǐng)域展開(kāi)深度合作，滿(mǎn)足未來(lái)新能源汽車(chē)電源系統(tǒng)對(duì)技術(shù)不斷提升的需求，并共同推動(dòng)GaN工藝技術(shù)在國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的研發(fā)和應(yīng)用。

安世半導(dǎo)體相關(guān)人員對(duì)第三代半導(dǎo)體在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景表示看好：“新能源汽車(chē)電源系統(tǒng)有望在未來(lái)主導(dǎo)半導(dǎo)體器件持續(xù)增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，硅基氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的功率密度和效率將在汽車(chē)電氣化應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。”

也是在最近，隸屬于博世集團(tuán)的羅伯特·博世創(chuàng)業(yè)投資公司（RBVC）已完成對(duì)基本半導(dǎo)體的投資。資料顯示，基本半導(dǎo)體是中國(guó)領(lǐng)先的碳化硅功率器件提供商之一。博世集團(tuán)幾日前在德累斯頓建設(shè)車(chē)用半導(dǎo)體芯片廠來(lái)生產(chǎn)車(chē)用傳感器芯片，此次對(duì)基本半導(dǎo)體的投資也預(yù)示其有意在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)一步涉足。

除資本加持外，在第三代半導(dǎo)體的研發(fā)和生產(chǎn)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)也進(jìn)展頻頻：三安光電位于湖南的首個(gè)第三代半導(dǎo)體芯片廠房已順利封頂，預(yù)計(jì)今年6月試投產(chǎn)；露笑科技已于近期實(shí)現(xiàn)6英寸碳化硅襯底片試生產(chǎn)，另公司自主研發(fā)的碳化硅長(zhǎng)晶爐已實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售，下游客戶(hù)已陸續(xù)投產(chǎn)；海特高新硅基氮化鎵產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)規(guī)模出貨，公司的客戶(hù)主要為芯片設(shè)計(jì)公司和模組公司。

值得一提的是，三安光電此前早已推出了6英寸SiC晶圓代工制程，2020年初，該公司的氮化稼產(chǎn)能已達(dá)2000片/月，2020年年底已完成碳化硅MOSFET器件量產(chǎn)平臺(tái)的打造。

政策方面，上海臨港新片區(qū)近日發(fā)布了集成電路產(chǎn)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃（2021-2025）。規(guī)劃中提出，推進(jìn)6英寸、8英寸GaAs、GaN和SiC工藝線(xiàn)建設(shè)，面向5G、新能源汽車(chē)等應(yīng)用場(chǎng)景，加快化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品驗(yàn)證應(yīng)用。

應(yīng)用場(chǎng)景觸及“碳中和”關(guān)鍵領(lǐng)域

近年來(lái)，第三代半導(dǎo)體成為行業(yè)新風(fēng)口。受疫情后期汽車(chē)、工業(yè)和移動(dòng)通信等行業(yè)市場(chǎng)需求反彈因素推動(dòng)，再加上“碳中和”概念倡導(dǎo)及相關(guān)政策支持，2021年，第三代半導(dǎo)體的成長(zhǎng)動(dòng)能有望持續(xù)上升。根據(jù)TrendForce集邦咨詢(xún)方面最新預(yù)測(cè)，2021年，GaN功率器件的成長(zhǎng)力道最為明顯，預(yù)估其今年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)6，100萬(wàn)美元，年增長(zhǎng)率高達(dá)90.6%。

在市場(chǎng)規(guī)模日漸擴(kuò)大的情況下，第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)景正在不斷拓展，目前已經(jīng)從半導(dǎo)體照明等小批量應(yīng)用走向了包括數(shù)據(jù)中心、新能源汽車(chē)等更廣闊的市場(chǎng)。

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)于坤山肯定了新興市場(chǎng)對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供的助力。他表示，以5G、新能源汽車(chē)、能源互聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)類(lèi)電子、新一代顯示、紫外等應(yīng)用市場(chǎng)啟動(dòng)為契機(jī)，已經(jīng)完成第三代半導(dǎo)體布局并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)和地區(qū)將首先收獲成果。

應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的第三代半導(dǎo)體可以大幅減少電能的消耗。公開(kāi)資料顯示，一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房一年的耗電量相當(dāng)于一個(gè)中等城市的用電量。在耗電量如此巨大的情況下，如果使用第三代半導(dǎo)體芯片來(lái)控制電源，相比于硅芯片可以省下大量電力。開(kāi)源證券研究所副所長(zhǎng)兼電子首席研究員劉翔告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者，隨著“碳中和”進(jìn)程加快，化石能源將逐步被其他電力能源取代。無(wú)論是電力的傳輸還是控制，都需要第三代半導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)?！暗谌雽?dǎo)體的效率更高，能工作的電壓范圍更大，所以用量肯定是非常大的?！彼f(shuō)。

以第三代半導(dǎo)體的典型應(yīng)用場(chǎng)景——新能源汽車(chē)為例，根據(jù)福特汽車(chē)公開(kāi)的信息，相比于傳統(tǒng)硅芯片（如IGBT）驅(qū)動(dòng)的新能源汽車(chē)，由第三代半導(dǎo)體材料制成芯片驅(qū)動(dòng)的新能源汽車(chē)，可以將能量損耗降低5倍左右。

作為第三代半導(dǎo)體的代表，碳化硅技術(shù)的應(yīng)用與整車(chē)?yán)m(xù)航里程的提升也有著緊密的聯(lián)系，第三代半導(dǎo)體材料在提高能效、電源系統(tǒng)小型化、提高耐壓等方面的性能已經(jīng)達(dá)到了硅器件無(wú)法企及的高度。小鵬汽車(chē)動(dòng)力總成中心IPU硬件高級(jí)專(zhuān)家陳宏表示，相比硅基功率半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體碳化硅MOSFET具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點(diǎn)。采用碳化硅技術(shù)后，電機(jī)逆變器效率能夠提升約4%，整車(chē)?yán)m(xù)航里程將增加約7%。

目前第三代半導(dǎo)體的觸角延伸到了5G、新能源汽車(chē)等多個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)，劉翔認(rèn)為，碳化硅的原材料——長(zhǎng)晶的培育有望成為國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)的突破口。

長(zhǎng)晶的生產(chǎn)難度較大，長(zhǎng)晶的源頭——晶種很難獲取，而且要求極高的純度。另外，長(zhǎng)晶生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫度和制程的要求很高，生產(chǎn)時(shí)間也比較長(zhǎng)。碳化硅長(zhǎng)一根晶棒需耗時(shí)2 周，但成果可能僅3公分，量產(chǎn)難度很大?；诖耍瑒⑾枵J(rèn)為，我國(guó)有必要提升對(duì)長(zhǎng)晶培育環(huán)節(jié)的重視程度。

除長(zhǎng)晶培育外，如何打破國(guó)外企業(yè)對(duì)碳化硅市場(chǎng)的壟斷也是亟待解決的問(wèn)題之一。安芯基金首席戰(zhàn)略官周貞宏表示，現(xiàn)階段，高速發(fā)展的碳化硅材料市場(chǎng)被國(guó)際巨頭壟斷，國(guó)產(chǎn)碳化硅基材僅占全球市場(chǎng)的2.2%。全國(guó)政協(xié)委員王文銀也指出，目前國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的高端產(chǎn)品多為進(jìn)口，先進(jìn)入市場(chǎng)的全球巨頭已經(jīng)建立了自身的朋友圈與護(hù)城河。

針對(duì)如何打破國(guó)外企業(yè)對(duì)碳化硅市場(chǎng)的壟斷，西安電子科技大學(xué)教授張玉明向表示，我國(guó)還需提高碳化硅晶圓的尺寸和質(zhì)量，制造工藝柵界面調(diào)控技術(shù)還需加強(qiáng)，成品率也需進(jìn)一步提升。

編輯：jq