近期，阿里巴巴達摩院發(fā)布2021年十大科技趨勢，“第三代半導體迎來應用大爆發(fā)”位列第一。達摩院指出，第三代半導體的性價比優(yōu)勢逐漸顯現并正在打開應用市場。未來5年，基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數據中心等場景。
“性價比優(yōu)勢”是形成市場穿透力的敲門磚。長期以來，第三代半導體受限于襯底成本過高、制備困難、應用范圍小等因素，成本居高不下，限制了市場接受度的提升。隨著應用空間逐漸拓展，制備技術日益成熟，第三代半導體逐漸從產品導入期走向市場拓展期。但也需看到，國內第三代半導體企業(yè)多處于研發(fā)或小批量供貨階段，要實現第三代半導體的規(guī)模化商用，還需要產業(yè)鏈上下游的共同作為。
性價比優(yōu)勢日益凸顯
半導體領域素有“一代材料、 一代技術、 一代產業(yè)”的說法。作為產業(yè)鏈最上游的核心部分，材料的影響力貫穿半導體產業(yè)始終，不僅用于制造和封測工藝，也直接影響芯片的供貨效率和性能質量。
“小巧、高效、發(fā)熱低”——小米董事長雷軍對氮化鎵充電器的評價，道出了第三代半導體的性能優(yōu)勢。相比硅材料，第三代半導體擁有耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等先天優(yōu)勢，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。
不過，第三代半導體雖然優(yōu)勢顯著，卻尚未進入大規(guī)模化商用階段。由于制備工藝成熟、自然界儲備量大且應用廣泛，硅器件形成了難以逾越的價格優(yōu)勢。相比之下，第三代半導體的單晶及外延材料價格昂貴，制備工藝難度較大且襯底成本高。相比傳統6英寸硅襯底，碳化硅襯底的價格高出數十倍之多。
既然價格上缺乏優(yōu)勢，第三代半導體的性價比優(yōu)勢，體現在哪些維度?
“第三代半導體器件的性價比主要體現在綜合開銷上。” 阿里達摩院十大科技趨勢項目組專家告訴《中國電子報》記者。
據該專家介紹，得益于第三代半導體電力電子器件的高頻特性，圍繞器件布局的無源元件可減小和減少，從而減少物質開銷;其次，器件高壓特性可以使部分多級降壓或升壓模式改變?yōu)閱渭壞Ｊ剑行p少元器件數量;此外，器件耐高溫特性可以使模組或系統散熱成本有效降低，目前正在快充、逆變器等應用中逐步體現。
碳化硅供應商基本半導體向記者提供的資料顯示，在新能源汽車使用碳化硅MOSFET 90-350kW逆變器時，可減少6%~10%的電池使用，并節(jié)省空間占用及冷卻系統需求。雖然碳化硅器件的成本增加值在75~150美元，卻節(jié)約了525~850美元的綜合開銷。
這種系統性成本優(yōu)勢，可謂第三代半導體的“殺手锏”。
同樣值得注意的是，雖然硅器件成本優(yōu)勢顯著，但價格下降空間已所剩無幾。相較之下，第三代半導體尚有充足的降價空間。
CASA Research數據顯示，耐壓600V-650V碳化硅SBD在2019年的均價是1.82元/A，較2017年年底下降了55.6%，與硅器件價格差距縮小到2.4倍左右。1200V碳化硅SBD雖然與硅器件的價格差距在5倍左右，但均價較2017年下降了37.6%。
這種降價幅度，在硅產業(yè)已經難以想象。隨著5G、新能源汽車等下游市場對第三代半導體的需求上揚，以及制備技術特別是大尺寸材料生長技術不斷突破，第三代半導體的性能日益穩(wěn)定且價格持續(xù)下探，性價比優(yōu)勢將持續(xù)凸顯。
規(guī)模商用尚需時日
市場邊界的拓展，讓第三代半導體從半導體照明等小批量應用，走向了更加廣闊的市場空間。但也需看到，國內第三代半導體企業(yè)多數處于研發(fā)、項目建設或小批量供貨階段，對企業(yè)營收的貢獻比例較低，第三代半導體的大規(guī)模商用尚需時日。
達摩院十大科技趨勢項目組專家向記者表示，第三代半導體要走向規(guī)模化、商用化，至少要滿足五個條件：一是細分領域的代際優(yōu)勢獲得市場進一步驗證;二是元器件可靠性可滿足整機廠商對消費端、工業(yè)端等的差異化需求;三是應用端利潤能基本覆蓋材料到制程的投入;四是面向第三代半導體器件與電路的專業(yè)工程師群體的成長;五是代工體系能有效支撐通用芯片的穩(wěn)定供貨。
“產業(yè)鏈必須在第三代半導體優(yōu)勢應用領域和細分環(huán)節(jié)做縱深整合和迭代嘗試，突出應用需求牽引，才能使產業(yè)鏈具備內生動力。同時，要發(fā)揮政策及龍頭企業(yè)的帶動優(yōu)勢和區(qū)域優(yōu)勢，通過垂直整合和兼并重組，做強優(yōu)勢方向，重視材料與制程的協同突破，加強知識產權保護和第三代半導體產業(yè)人才的培養(yǎng)。”該專家指出。
賽迪顧問新材料產業(yè)研究中心副總經理楊瑞琳也向記者表達了類似的觀點，第三代半導體的規(guī)模化商用，要以應用為牽引，關注5G、新能源汽車充電樁、特高壓及軌道交通四大“新基建”領域的市場機會，以核心技術突破及量產技術落地加速產業(yè)化進程，推動產業(yè)上下游協同發(fā)展。
“對于企業(yè)而言，首先要通過擴大產能，降低固定成本，推動晶圓成本降低;同時，基于大尺寸材料生長技術等更加成熟的制備技術，通過更大尺寸的襯底降低器件的加工難度和生產成本。此外，可與大客戶簽訂長期合作合同，提升供應穩(wěn)定性。” 楊瑞琳說。
從市場穿透力來看，在高溫、強輻射、大功率等特殊場景，第三代半導體差異化優(yōu)勢顯著。但在功率器件等被視為第三代半導體適用性最強的市場，硅材料仍占據主導地位。綜合中國電子標準化研究院和Yole數據，2019年碳化硅、氮化鎵電力電子器件市場滲透率約為2.5%，尚處于產品導入階段。
“由于襯底成本過高，制程條件相對困難，第三代半導體市占表現長期受限，預計10年后市占仍將低于整體半導體市場的一成以下。”TrendForce集邦咨詢分析師王尊民向記者表示。
即便性價比優(yōu)勢在電動車、無線充電器、能源轉換器等產業(yè)逐漸凸顯，讓下游客戶從已經成熟的硅產品線切換到第三代半導體，絕非一蹴而就。需要產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)在成本控制、產品指標、市場選擇上，做出更加合理的部署，做好持久戰(zhàn)的準備。
“第三代半導體要走向規(guī)模及商用化，現階段主要考量如何有效降低襯底價格及提高尺寸大小，后續(xù)再配合不同材料的制程條件開發(fā)(如硅器件開發(fā)流程一般)，持續(xù)滲透功率半導體領域，相信企業(yè)發(fā)展將逐漸步上正軌。” 王尊民表示，“第三代半導體尚處于產品銷售的成長階段，多數從業(yè)者將發(fā)布差異化的產品并鎖定特定市場，找尋合適的應用場景。預計2021年，第三代半導體將維持百花齊放之勢，廠商將持續(xù)推出產品并挑戰(zhàn)不同的市場機會，提升企業(yè)知名度，開拓未來發(fā)展空間。”