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国产半导体材料发展简史—展望
时间:2021-11-10 13:38:35浏览次数:88次

上一篇文章讲到国产半导体材料的起步发展,本文将重点分析介绍国产半导体的趋势,尤其是第三代半导体。


20世纪末,一场海湾战争,可以说打醒了中国人,美国先进的武器,实现了绝对碾压,红外制导,卫星定位,短短几天就颠覆了一个国家。而当时的中国在各方面,可以说是“触目惊心”,红外制导,卫星定位方面根本没法比,而这些关键的技术,都离不开半导体。


21世纪以来,国内在关键技术,材料,设备上全面追赶国外,部分领域实现了弯道超车,半导体方面更是实现了跨代数的追赶。然而中国半导体产业21世纪才真正起步,较国外晚了50多年。


相较于第一代和第二代,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性,可在新能源汽车、高速轨道交通、5G通信、光伏并网、消费类电子等多个重点领域广泛应用。


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中美两国涉及氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的半导体领域相关专利总量 (项)对比图


近年来,在国内市场环境偏紧和国际形势紧张的大背景下,我国第三代半导体产业持续向前推进,2019年,我国第三代半导体整体产值超过7600亿元。其中,光电子(主要为半导体照明)为7548亿元,电力电子和微波射频产值约为60亿元。其中,SiC、GaN电力电子产值规模近24亿元,同比增长超过80%;GaN微波射频产值规模近38亿元,同比增长近75%。

 

简单介绍一下:全球第三代半导体产业,主要玩家集中在欧美日企业,包括科锐、意法半导体罗姆安森美英飞凌Qorvo、住友、恩智浦、三菱电机等,这些巨头们正在不断通过扩大产能、合作结盟或兼收并购等方式在第三代半导体市场跑马圈地、加速布局。

 

在国家政策支持、市场需求驱动下,我国第三代半导体产业得到快速发展。


氮化镓方面,我国衬底企业主要有中稼半导体、苏州纳维科技,外延片企业主要有聚能晶源、世纪金光、聚力成半导体等,器件设计方面有赛微电子,制造企业主要有海威华芯、厦门三安集成等,IDM企业主要有能讯高能半导体、能华微电子、英诺赛科、华功半导体以及中电科十三所、中电科五十五所等,核心源材料方面主要有武汉拓材科技,实现了铝Al,铟In,锑Sb,镓Ga,砷As,磷P,碲Te等国产。

 

据不完全统计,截止2021年6月,第三代半导体产业项目的投资总额已超850亿元,其中包括两家上市公司三安光电与露笑科技,事实上两者在此前已在第三代半导体领域有所投资,尤其是三安光电已布局多年,如今再斥下巨资投建项目,可见十分看好对第三代半导体产业的发展前景。


事实上,还有华润微、赛微电子、士兰微等一众知名上市公司亦正在布局第三代半导体产业。如华润微正在进行氮化镓与碳化硅器件的研发与生产,去年7月华润微宣布正式向市场投放1200V和650V工业级SiC肖特基二极管功率器件产品系列,同时其6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。


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近年来来中国第三代半导体的政策


除了企业投资外,近年来全国各地布局发展第三代半导体,初步形成了京津冀、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域,北京、河北、山东、浙江、江苏、广东、福建、重庆、成都、陕西等省市均着手布局,并发展起多个产业集聚区,包括北京顺义第三代半导体创新产业集聚区、山东济南宽禁带半导体产业小镇、深圳坪山第三代半导体产业集聚区等。

 

过去数十年半导体行业呈现螺旋上升趋势,作为现代信息产业的基础和核心产业之一,半导体行业将扮演推动未来技术发展的重要力量。深入的技术变革是助力半导体行业发展的内在动力,从早期的个人PC和互联网普及,到21世纪后的以笔记本、智能手机等为代表的的移动互联时代的崛起,毫无疑问,周期性的科技革新将持续推动半导体产业螺旋上升,而以 5G、IoT、云计算等为首的技术革新将为半导体行业注入新动能。尽管受到新冠疫情扰动, 2020年全球半导体行业周期上行的趋势没有改变,数据中心、物联网为行业带来强劲需求,根据WSTS数据,2020年全球半导体销售额为4407亿美元,同比增长7.5%,预计2021年全球半导体销售额将达到4690亿美元。


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2021-2024年中国大陆晶圆厂建厂规划陆续出炉,中国大陆扩产潮继续涌动。2020下半年以来,全球芯片业缺货情况达到历史高峰期,产能紧缺情况预计至 少持续到2021年二季度,这种长时间、大规模、系统性的产能紧张,将推动晶圆厂产能的变化和转移。不仅中国大陆本土陆续上马新晶圆厂,各大国际知名晶 圆厂纷纷来建厂,形成了愈加突出的产能聚集效应,根据芯思想数据以及各公司公告整理了国内2021-2024 年已经出炉的晶圆厂建设项目,2021-2024 年中国大陆晶圆厂已经规划的投资金额合计已超过4000 亿元。

 

历经多年的沉淀与积累,我国第三代半导体产业已有了长足进步。2019年我国第三代半导体领域技术已基本完成从小批量的研发向规模化、商业化的跨越。


材料方面,2019年GaN衬底已实现2-3英寸衬底小批量产业化,4英寸可提供样品;用于电力电子器件的Si基GaN外延基本实现6英寸产业化和8英寸材料的样品研发。SiC衬底4英寸导电和半绝缘衬底已实现产业化,6英寸导电衬底小批量供货,已经研制出8英寸衬底;SiC同质外延目前商业化的尺寸为4-6英寸等。


器件方面,2019年商业化的Si基GaN HEMT最高电压为650V;硅基GaN射频器件性能位于国际前列水平,工作频率145GHz-220GHz,已实现规模量化供货。SiC器件国内外产品涵盖的电压等级已经基本无差别,SiC SBD覆盖600V-3300V的电压范围;SiC MOSFET方面,全SiC功率模块最高规格为1200V/600A等。

 

至此,第三代半导体已吸引了国内各省地政府、大中小企业以及各界资本的投资布局,后续预期仍将有更多企业及资本入场。

 

但是由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势,多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用,尺寸方面一直没法做更大产业化的。如高端光刻机,中国的路还有很长。

 

目前全球第三代半导体产业大部分市场份额仍被美国、欧洲、日本等国家地区企业所占据,我国第三代半导体企业在产能规模、解决方案、市场渠道以及品牌信任度等方面均与国际企业有较大差距,如今正在努力追赶中。


国家2030计划和“十四五”国家研发计划都已经明确,第三代半导体是重要发展方向,现在到了动议讨论实施方案的阶段。2020年12月28日,阿里巴巴达摩院发布2021十大科技趋势。这也是达摩院成立三年以来,第三次发布年度科技趋势。达摩院认为,未来几年,以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料将在材料生长、器件制备等技术上实现突破。相信在未来国产半导体将全面赶超欧美。2021年年初以来,多品类半导体产品价格持续上涨,需求加速回暖、晶圆产能紧缺的行业景气上行周期仍在演绎。国内半导体设备需求有望保持高景气,驱动国产替代加速进行。半导体设备和材料厂商有望受益于全球晶圆产能扩张以及国产化推进进程。

 

在此也希望国内科研机构(如中国科学院半导体所,上海技物所,上海微系统所,昆明物理所,苏州纳米所等等),努力实现半导体行业全面赶超欧美。

 

武汉拓材科技将全面为各科研单位提供品质可靠的核心材料,铝Al,铟In,锑Sb,镓Ga,砷As,磷P,碲Te,铍Be。

 

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