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智东西 国产芯片新突破点！报告揭秘爆发中的第三代半导体材料( 四 )


1）下游新兴行业增量显著：下游以汽车电子为代表的新兴应用增速进一步加快 ， 除去传统电子控制系统外 ， 电驱、电控、电池三大件对于功率半导体的需求量爆发式增长 ， 假设2025年新能源汽车市场规模达到150亿元 ， 按照汽车电子化率30%测算 ， 仅在新能源汽车中的电子元器件增量为50亿元；
2）自给率仍然偏低 ， 替代空间巨大：国内需求增加的同时 ， 自给率不足20% ， 从国内外产业链的对比来看 ， 假设自给率达到50% ， 国内至少仍有50亿美元的市场空间增量；
3）未来集中度会进一步提升 ， 产品碎片化将有所改善：由于产品种类繁多 ， 总体较为碎片化 ， 但部分高端产品如IGBT、MOSFET产品性能和技术壁垒同步提升 ， 下游对高端产品的依赖度会随之增加 ， 细分领域集中度提升是必然趋势 。
智东西 国产芯片新突破点！报告揭秘爆发中的第三代半导体材料
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▲2018年全球功率半导体市场份额
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▲2018年中国功率半导体市场份额
三、第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石
第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表 ， 极具性能优势 。 第三代半导体材料是指带隙宽度明显大于Si的宽禁带半导体材料 ， 主要包括SiC、GaN、金刚石等 ， 因其禁带宽度大于或等于2.3电子伏特 ， 又被称为宽禁带半导体材料 。 和第一代、第二代半导体材料相比 ， 第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点 ， 可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等恶劣条件的新要求 。 第三代半导体材料在航空、航天、光存储等领域有着重要应用前景 ， 在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失 ， 最高可以使装备体积减小75%以上 ， 是半导体产业进一步跃进的基石 。
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▲三代半导体材料主要特征
半导体材料经历了三次明显的换代和发展 。 第一代半导体材料是Si、Ge等单质半导体材料 ， 由于其具有出色的性能和成本优势 ， 目前仍然是集成电路等半导体器件主要使用的材料；第二代半导体材料以GaAs和InP等材料为代表 。 第二代半导体材料在物理结构上具有直接带隙的特点 ， 相对于Si材料具有光电性能佳、工作频率高、抗高温、抗辐射等优势 ， 可以应用于光电器件和射频器件；第三代半导体材料以GaN和SiC等材料为代表 。 1969年实现了GaN单晶薄膜的制备 。 1994年中村修二研发了第一支高亮度的GaN基蓝光LED 。 1891年 ， SiC晶体被人工合成 。 1955年 ， 飞利浦实验室的Lely发明SiC的升华生长法(或物理气相传输法 ， 即PVT法) ， 后来经过改进后的PVT法成为SiC单晶制备的主要方法 。
材料分子结构导致先天性能优势 。 第三代半导体材料相对于Si材料具有：禁带宽度更大、电子饱和飘移速度较高等特点 ， 制作出的半导体器件拥有光电性能优异、高速、高频、大功率、耐高温和高辐射等特征 ， 具备应用于光电器件、微波器件和电力电子器件的先天性能优势 。
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▲第三代半导体与硅的特性对比
GaN衬底技术难度较大 ， 光电子领域中较为成熟 。 目前 ， SiC衬底技术相对简单 ， 主要制备过程大致分为两步：第一步SiC粉料在单晶炉中经过高温升华之后在单晶炉中形成SiC晶锭；第二步通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光 ， 得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片（即SiC衬底） 。 GaN衬底的生长主要采用HVPE（氢化物气相外延）法 ， 制备技术仍有待提升 ， 行业产量较低 ， 导致GaN衬底的缺陷密度和价格较高 ， 目前只有激光器等少数器件采用GaN同质衬底；GaN电力电子器件的衬底主要采用Si衬底 ， 部分企业采用蓝宝石衬底 ， GaN同质衬底的器件在研发中；GaN射频器件主要是SiC高纯半绝缘衬底 ， 少数企业采用Si做衬底；GaN光电子器件是GaN材料最成熟的领域 ， 基于蓝宝石、SiC和Si衬底的蓝宝石LED产业已经进入成熟阶段 。


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