“寬禁帶半導(dǎo)體進(jìn)入爆發(fā)“前夕”。
作者：飛飛 |
編輯：唐詩 |
去年 11 月底，特斯拉 Model 3 新款開售，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能變化都引起了外界關(guān)注。
在特斯拉 Model 3 車型中，SiC 得到量產(chǎn)應(yīng)用，這吸引了全球汽車廠商的目光。搭載 SiC 芯片的智能電動(dòng)汽車，可提高續(xù)航里程，對(duì)突破現(xiàn)有電池能耗與控制系統(tǒng)上瓶頸，乃至整個(gè)新能源汽車行業(yè)都有重要意義。
目前，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為以 SiC 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體將成為下一代半導(dǎo)體主要材料，那么寬禁帶半導(dǎo)體當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r如何？國內(nèi)外發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體有哪些區(qū)別？未來發(fā)展面臨著哪些挑戰(zhàn)？
01、特斯拉 Model 3 首批搭載 SiC
對(duì)于全球汽車廠商來說，特斯拉的每次動(dòng)作，都會(huì)引起高度關(guān)注，特斯拉 Model 3 搭載了 SiC 芯片，成為全球首批在量產(chǎn)中使用 SiC 芯片的汽車制造商之一?；?Model 3 在市場上的成功，以及 SiC 在續(xù)航里程等方面的優(yōu)勢，SiC 一經(jīng)亮相，迅速成為全球芯片廠商和汽車廠商的關(guān)注焦點(diǎn)。
德國芯片制造商英飛凌推出用于電動(dòng)汽車逆變器的 SiC 模塊，緊接著，現(xiàn)代汽車宣布要在旗下電動(dòng)汽車中使用 SiC 芯片，并且明確表示，使用 SiC 芯片的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程將提高 5%，這又為 SiC 作了正面宣傳。
事實(shí)上，SiC 芯片的確具有常規(guī)半導(dǎo)體難以比擬的優(yōu)勢，從 SiC 發(fā)展的歷程中也不難看出，SiC 也是目前研究相對(duì)更成熟的材料。
此前，硅（Si）和鍺（Ge）作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主流，在集成電路、航空航天、新能源和光伏等產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛。隨著高端制造、大功率發(fā)光電子器件日益發(fā)展，對(duì)頻率、效率和噪聲等要求越來越高，第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）應(yīng)運(yùn)而生。
但到目前，人類在 5G 通信、智慧電網(wǎng)、宇航衛(wèi)星、新能源汽車等前沿領(lǐng)域不斷突破，體積更小、性能更優(yōu)、效率更高的芯片材料成為產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的剛需，市場需求倒逼芯片材料不斷革新。
在這種情況下，SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵作為第三代化合物半導(dǎo)體材料，正式進(jìn)入人們視野。如前文現(xiàn)代汽車公開所述，SiC 材料更加耐高溫、耐腐蝕，這種優(yōu)勢有助于提升功率、減少散熱，對(duì)提升新能源汽車?yán)m(xù)航的確有重要意義。
02、國際巨頭未完成壟斷，國內(nèi)有條件追趕
目前來看，對(duì)第三代半導(dǎo)體材料 SiC 和 GaN 的研究相對(duì)成熟，和前兩代半導(dǎo)體材料相比，SiC 在禁帶寬度等方面有明顯優(yōu)勢，也更耐高溫、更抗輻射，在大功率、高溫、高輻射應(yīng)用場景中尤其適用。GaN 材料則更耐壓、更耐熱、更耐腐蝕，在發(fā)光器件中比較適用。基于性能上的明顯優(yōu)勢，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)都在積極發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體材料。
放眼全球，目前，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)依然由國外企業(yè)所主導(dǎo)，但國際巨頭還未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)模上也未形成完全壟斷。同時(shí)，我國內(nèi)需市場龐大，在市場和應(yīng)用上有明顯優(yōu)勢，產(chǎn)業(yè)鏈條也日益完善。
在國際市場上，寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展階段，在新能源汽車、5G 通信、光伏、消費(fèi)電子等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，代表性企業(yè)有 Wolfspeed、onsemi、ROHM 等，比如 Wolfspeed，是全球最大的 SiC 襯底制造商，其主營業(yè)務(wù)是專門研究 SiC 材料，專注于第三代化合物半導(dǎo)體。
相比于國際市場，國內(nèi)企業(yè)在整體技術(shù)研發(fā)和市場應(yīng)用上有所落后，但近年來技術(shù)水平不斷提升，部分技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，比如在寬禁帶半導(dǎo)體微波射頻芯片技術(shù)上就擁有明顯優(yōu)勢。
此外，半導(dǎo)體照明技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也相對(duì)更成熟，2022 年初我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值接近 8000 億元，其中大部分產(chǎn)值就來自于半導(dǎo)體照明。
03、產(chǎn)業(yè)前景廣闊，降本成為關(guān)鍵
寬禁帶半導(dǎo)體快速崛起，已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體和相關(guān)產(chǎn)業(yè)競爭的焦點(diǎn)，我國內(nèi)需市場規(guī)模龐大，并且又是以市場應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)的發(fā)展模式，長期來看，我國寬禁帶半導(dǎo)體在產(chǎn)業(yè)化上有諸多優(yōu)勢。
再者，和集成電路產(chǎn)業(yè)相比，寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)工藝技術(shù)、設(shè)計(jì)流程和精密程度的要求相對(duì)較低，因此企業(yè)進(jìn)入的門檻不高，這也為國內(nèi)企業(yè)成長提供了可能。
資本也看到了寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大前景，也在加速推進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2021 年，即使在疫情的背景下，仍有超過 60 家企業(yè)完成融資，這說明寬禁帶半導(dǎo)體也被資本高度看好。
當(dāng)然，看到行業(yè)發(fā)展的前景，也不應(yīng)忽視面臨的挑戰(zhàn)。目前，寬禁帶半導(dǎo)體使用領(lǐng)域主要集中在射頻器件、大功率電力電子器件、光電器件上，應(yīng)用領(lǐng)域仍有待拓展。此外，我國雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了研發(fā)和生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，但產(chǎn)品迭代速度較慢，在應(yīng)用端評(píng)價(jià)體系也相對(duì)缺乏。
長期來看，成本依然是決定寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的重要因素，隨著成本不斷降低，產(chǎn)業(yè)化也將迎來加速。
本文來自微信公眾號(hào)：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：飛飛
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