近期，阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布2021年十大科技趨勢，“第三代半導(dǎo)體迎來應(yīng)用大爆發(fā)”位列第一。達(dá)摩院指出，第三代半導(dǎo)體的性價比優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)并正在打開應(yīng)用市場。未來5年，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)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(dǎo)體受限于襯底成本過高、制備困難、應(yīng)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(yīng)用空間逐漸拓展，制備技術(shù)日益成熟，第三代半導(dǎo)體逐漸從產(chǎn)品導(dǎo)入期走向市場拓展期。但也需看到，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)多處于研發(fā)或小批量供貨階段，要實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體的規(guī)模化商用，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的共同作為。
性價比優(yōu)勢日益凸顯
半導(dǎo)體領(lǐng)域素有“一代材料、 一代技術(shù)、 一代產(chǎn)業(yè)”的說法。作為產(chǎn)業(yè)鏈最上游的核心部分，材料的影響力貫穿半導(dǎo)體產(chǎn)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(zhì)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(dǎo)體的性能優(yōu)勢。相比硅材料，第三代半導(dǎo)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(dǎo)體雖然優(yōu)勢顯著，卻尚未進(jìn)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(yīng)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(dǎo)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(tǒng)6英寸硅襯底，碳化硅襯底的價格高出數(shù)十倍之多。
既然價格上缺乏優(yōu)勢，第三代半導(dǎo)體的性價比優(yōu)勢，體現(xiàn)在哪些維度?
“第三代半導(dǎo)體器件的性價比主要體現(xiàn)在綜合開銷上。” 阿里達(dá)摩院十大科技趨勢項(xiàng)目組專家告訴《中國電子報》記者。
據(jù)該專家介紹，得益于第三代半導(dǎo)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(zhì)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(shù)量;此外，器件耐高溫特性可以使模組或系統(tǒng)散熱成本有效降低，目前正在快充、逆變器等應(yīng)用中逐步體現(xiàn)。
碳化硅供應(yīng)商基本半導(dǎo)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(tǒng)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(tǒng)性成本優(yōu)勢，可謂第三代半導(dǎo)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(dǎo)體尚有充足的降價空間。
CASA Research數(shù)據(jù)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(chǎn)業(yè)已經(jīng)難以想象。隨著5G、新能源汽車等下游市場對第三代半導(dǎo)體的需求上揚(yáng)，以及制備技術(shù)特別是大尺寸材料生長技術(shù)不斷突破，第三代半導(dǎo)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(dǎo)體從半導(dǎo)體照明等小批量應(yīng)用，走向了更加廣闊的市場空間。但也需看到，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)多數(shù)處于研發(fā)、項(xiàng)目建設(shè)或小批量供貨階段，對企業(yè)營收的貢獻(xiàn)比例較低，第三代半導(dǎo)體的大規(guī)模商用尚需時日。
達(dá)摩院十大科技趨勢項(xiàng)目組專家向記者表示，第三代半導(dǎo)體要走向規(guī)模化、商用化，至少要滿足五個條件：一是細(xì)分領(lǐng)域的代際優(yōu)勢獲得市場進(jìn)一步驗(yàn)證;二是元器件可靠性可滿足整機(jī)廠商對消費(fèi)端、工業(yè)端等的差異化需求;三是應(yīng)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(dǎo)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(chǎn)業(yè)鏈必須在第三代半導(dǎo)體優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域和細(xì)分環(huán)節(jié)做縱深整合和迭代嘗試，突出應(yīng)用需求牽引，才能使產(chǎn)業(yè)鏈具備內(nèi)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(qiáng)優(yōu)勢方向，重視材料與制程的協(xié)同突破，加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)。”該專家指出。
賽迪顧問新材料產(chǎn)業(yè)研究中心副總經(jīng)理?xiàng)钊鹆找蚕蛴浾弑磉_(dá)了類似的觀點(diǎn)，第三代半導(dǎo)體的規(guī)模化商用，要以應(yīng)用為牽引，關(guān)注5G、新能源汽車充電樁、特高壓及軌道交通四大“新基建”領(lǐng)域的市場機(jī)會，以核心技術(shù)突破及量產(chǎn)技術(shù)落地加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，推動產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。
“對于企業(yè)而言，首先要通過擴(kuò)大產(chǎn)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(shù)等更加成熟的制備技術(shù)，通過更大尺寸的襯底降低器件的加工難度和生產(chǎn)成本。此外，可與大客戶簽訂長期合作合同，提升供應(yīng)穩(wěn)定性。” 楊瑞琳說。
從市場穿透力來看，在高溫、強(qiáng)輻射、大功率等特殊場景，第三代半導(dǎo)體差異化優(yōu)勢顯著。但在功率器件等被視為第三代半導(dǎo)體適用性最強(qiáng)的市場，硅材料仍占據(jù)主導(dǎo)地位。綜合中國電子標(biāo)準(zhǔn)化研究院和Yole數(shù)據(jù)，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(chǎn)品導(dǎo)入階段。
“由于襯底成本過高，制程條件相對困難，第三代半導(dǎo)體市占表現(xiàn)長期受限，預(yù)計10年后市占仍將低于整體半導(dǎo)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(zhuǎn)換器等產(chǎn)業(yè)逐漸凸顯，讓下游客戶從已經(jīng)成熟的硅產(chǎn)品線切換到第三代半導(dǎo)體，絕非一蹴而就。需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)在成本控制、產(chǎn)品指標(biāo)、市場選擇上，做出更加合理的部署，做好持久戰(zhàn)的準(zhǔn)備。
“第三代半導(dǎo)體要走向規(guī)模及商用化，現(xiàn)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(dǎo)體領(lǐng)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(dǎo)體尚處于產(chǎn)品銷售的成長階段，多數(shù)從業(yè)者將發(fā)布差異化的產(chǎn)品并鎖定特定市場，找尋合適的應(yīng)用場景。預(yù)計2021年，第三代半導(dǎo)體將維持百花齊放之勢，廠商將持續(xù)推出產(chǎn)品并挑戰(zhàn)不同的市場機(jī)會，提升企業(yè)知名度，開拓未來發(fā)展空間。”