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欢乐28 站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

2020-05-23 12:42:58 快3app 已读

4月20日,国家发改委始次官宣“新基建”的周围,正式定调了5G基建、人造智能、工业互联网等七大周围的发展倾向。在建设需求的驱动下,一大批科技创新企业也将迎来发展的窗口期。

“新基建”行为新兴产业,一端连接着一向升级的消耗市场,另一端连接着飞速发展的科技创新。值得仔细的是,不论是5G、新能源汽车照样工业互联网等,“新基建”各个产业的建设都与半导体技术的发展一脉相连。例如:

以氮化镓(GaN) 为中央的射频半导体,赞成着5G基站及工业互联网编制的建设;

以碳化硅(SiC) 以及IGBT为中央的功率半导体,赞成着新能源汽车、充电桩、基站/数据中央电源、特高压以及轨道交通编制的建设;

以AI芯片为中央的SOC芯片,赞成着数据中央、人造智能编制的建设。

不寝陋出,氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) 为始的第三代半导体是声援“新基建”的中央材料。在“新基建”与国产替代的添持下,国内半导体厂商将迎来庞大的发展机遇。 祥峰投资中国基金自成立以来,亲昵关注半导体走业的发展,早在2013年就投资了半导体表现芯片供答商——云英谷科技,而后一连投资了地平线、慧智微电子、芯驰科技、移芯科技、BlueX、Lightelligence等一批高成长性的半导体芯片企业。 行为中国半导体走业的不悦目察者,祥峰投资本次带来一份《第三代半导体产业钻研通知》,将探讨以下题目,分为上、下两期仔细睁开: 一、

第三代半导体相较第一代、第二代有哪些挺进?

为何氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 在第三代半导体中备受追捧?

氮化镓(GaN) 和碳化硅 (SiC) 的行使场景有哪些?市场周围有众大?驱动二者添长的因素有哪些?

二、

第三代半导体芯片在产业链各个环节 (衬底、外延、设计、制造、封装) 的关键技术有哪些?

国内外主要的第三代半导体厂商有哪些?

本文为通知的上篇。

第三代半导体产业钻研

- 上篇 - 作者 | 任刚、王飞 1

第三代半导体在击穿电场、炎导率、电子饱和速率及抗辐射能力上周详升迁

半导体的行使可追溯到上世纪五六十年代,至今通过了三个时期的的发展迭代(见下图)。

与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的炎导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更正当于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件,可通俗行使在高压、高频、高温以及高郑重性等周围,包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

三代半导体材料主要性能参数比较

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氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 是当下周围化商用最主要的选择

在第三代半导体材料中,现在发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)欢乐28,这两栽材料是当下周围化商用最主要的选择。

从下外常用的“优值(Figure of Merit, FOM)”能够清亮地看出欢乐28,SiC和GaN相较于前两代半导体材料在功能与特性上有了庞大的升迁。

*以上优值以Si材料为单位1欢乐28,进走了归一化

GaN和SiC在材料性能上各有优劣,所以在行使周围上各有偏重和互补。

GaN的高频Baliga优值隐微高于SiC,所以GaN的上风在高频幼电力周围,荟萃在1000V以下,例如通信基站、毫米波等

SiC的Keye优值隐微高于GaN ,所以SiC的上风在高温暖1200V以上的大电力周围,包括电力、高铁、电动车、工业电机等

在中矮频、中矮功率周围,GaN和SiC都能够行使,与传统Si基器件竞争

GaN与SiC的行使周围 3

氮化镓(GaN) 的行使场景、市场周围及添长驱动的因素

GaN器件主要包括射频器件、电力电子功率器件、以及光电器件三类。GaN的商业化行使起于LED照明和激光器,其更众是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性,有关产业已经发展的专门成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要行使周围。

GaN射频器件

射频器件的主要技术包括硅基的RF CMOS、Si-LDMOS方案,基于GaAs的方案,以及GaN方案。

硅基的RF CMOS适用于矮频、矮功率周围。在蓝牙、Zigbee行使占主导地位,一些WiFi和矮端手机也操纵该方案

GaAs方案正当幼功率行使,清淡矮于50W,是现在4G/LTE基站射频芯片的主要技术之一。大部别离机的功放芯片也操纵GaAs方案。短期内5G的手机终端也照样是GaAs方案

Si-LDMOS(横向扩散MOS)是现在4G/LTE基站射频芯片的主要技术之一。LDMOS器件的弱点是做事频率存在极限,最高有效频率在3.5 GHz以下

GaN方案则弥补了GaAs和Si-LDMOS这两栽传统技术的弱点,将在高功率,高频率射频市场上风清晰,稀奇是在高频(大于8 GHz)、中大功率(10W~100W)周围

数据来源:Yole

GaN射频器件的行使上风:

GaN在功率密度上的上风使得芯片体积大为缩短

5G基站会用到众发众收天线阵列方案,GaN射频器件对于整个天线编制的功耗和尺寸都有庞大的改进

在高功率,高频率射频行使中,获得更高的带宽、更快的传输速率,以及更矮的编制功耗

此外,GaN射频功率晶体管,可行为新的固态能量微波源,替代传统的2.45GHz磁控管,行使于从微波炉到高功率焊接机等消耗电子和工业周围。

数据来源:Qorvo

GaN射频器件的市场周围:

「GaN射频器件全球市场展望到2024年成长至20亿美元,固然在整个百亿美元的射频芯片市场中的占比照样较幼,但是添速可期。」 根据Yole的展望,GaN射频器件市场展望到2024年成长至20亿美元,6年CAGR达到21%。主要的市场添长来自无线通信基础设施和军工。5G的遍及将推动GaN在无线通信的市场达到7.5亿美元 必要指出的是,整个半导体射频器件的市场空间周围在百亿美元。其中GaAs器件照样占有的绝大片面市场份额。2014 年,全球射频功放芯片(PA)市场周围为73.9 亿美元,原由GaAs PA相对Si 基CMOS PA 性能上风清晰,砷化镓PA产值市场占比高达94%。受好于移动终端升级、物联网产业的赓续发展,PA 市场总量展望2020 年将添至114.16 亿美元,2014 至2020年复相符添长率为7.51%

数据来源:Yole, IBS

GaN射频器件的驱动因素: 需求侧,5G通信将是GaN射频器件市场的主要添长驱动因素。 供给侧,GaN on SiC、GaN on Si的技术一向成熟,让GaN功率器件有了更高的性价比,掀开行使空间。

GaN功率器件

GaN功率器件,与前述GaN射频功率芯片有所区分。主要指在高电压和较大电流下做事,与高频和射频有关不大。这类最常见的行使是电源有关的芯片。 功率器件主要是金属-氧化物-半导体场效答晶体管(MOSFET)。迥异于其他凭借电流驱动的晶体管,MOSFET是电压驱动型器件,只需在门极施添一个正当的电压,MOSFET就会导通。这一特性让MOSFET在AC/DC开关电源、变速电机、荧光灯、DC/DC转换器等设备中有着无法替代的作用。 GaN功率器件的主要行使: 消耗电子:GaN原由高功率密度和卓异的温度特性,用在电源上可兼顾幼体积与大功率输出,此外还具有更好的开关特性

数据中央电力编制:数据中央包含很众大功率的服务器,清淡必要大电流和矮电压,再添上冷却编制,用电成本振奋。将高电压转换为较矮的直流电,用于清淡必要众个DC-DC变换,每一个功率变换阶段,效果都会降落。倘若能够操纵高压器件进走转换,则能够缩短电压转换的次数,从而挑高整个编制的转换效果

光伏反变器:操纵GaN功率器件,做事在超过100 kHz的开关频率下,能够大大挑高编制的反变效果

其他周围还包括DC-DC转换器、POL转换器,以及电机驱动和D类大功率音频放大器等

GaN功率器件的市场周围:

2017 年全球功率半导体市场周围为 327 亿美元,展望到 2022 年达到 426 亿美元。工业、汽车、无线通讯和消耗电子是前四大终端市场。

GaN器件在整个功率半导体市场占比还专门幼。2016年GaN功率器件市场周围约为1200万美元,展望到2022年将添长到4.6亿美元,CAGR达到79%。主要添长来自电源管理、新能源车、LiDAR、无线功率和封包追踪等行使。

随着GaN on Si技术的成熟带来成本降矮,GaN功率器件的湮没市场空间将赓续放大。GaN 有看在中矮功率替代Si MOSFET、IGBT 等硅基功率器件。根据Yole推想,在0~900V 的矮压市场,GaN 都有较大的行使潜力,这一块占有整个功率市场约68%的比重,依照团体市场400亿美元来看,GaN 功率器件的湮没市场超过270 亿美元。

数据来源:Yole, IBS

4

碳化硅 (SiC) 的行使场景、市场周围及添长驱动的因素

MOSFET和IGBT是行使最为通俗的功率器件。SiC从上世纪70 年代开起研发。2001年SiC SBD 商用,2010年SiC MOSFET商用。SiC IGBT现在还在研发中。

SiC能大大降矮功率转换中的开关消耗,所以具有更好的能源转换效果,更容易实现模块的幼型化,更耐高温。

SiC功率器件的主要行使:

智能电网:SiC功率器件在智能电网的主要行使包括高压直流输电换流阀、软性直流输电换流阀、变通交流输电装配、高压直流断路器等、电力电子变压器等装配中。现在SiC器件已经在中矮压配电网开起了行使。异日更高电压、更大容量、更矮消耗的软性输变电对万伏级以上的SiC功率器件有很大需求 轨道交通:主要用于牵引变流器、电力电子电压器等。采用SiC功率器件能够大幅度挑高这些装配的功率密度和做事效果,将有助于清晰减轻轨道交通的载重编制 新能源汽车:SiC功率器件行使在电动汽车周围具有极大上风。SiC功率器件的高温特性和高炎导性能能够隐微缩短散炎器的体积和降矮成本,其高频特性有助于挑高电机驱动器的功率密度,减幼体积,降矮重量,并推动新式拓扑在电机驱动、充电桩和车载充电器中的行使

光伏、风电:现在国际上光伏并网装备市场是SiC功率器件的第二大行使市场,占SiC功率器件市场超过30 %以上。SiC光伏反变器效果能够达到99 %以上,能量转换消耗能够降矮50%,这将极大地降矮反变器的成本和体积。风机并网装备对中高压SiC功率器件具有壮大的需求,以代替硅器件串联或拓扑级联,隐微减幼装配的体积,大幅度挑高风机变流器做事效果和郑重性,展望到2020年,SiC功率器件将进入风机并网装备市场。

SiC功率器件的市场空间:

2017年全球 SiC 功率半导体市场总额达 3.99 亿美元。展望到2023年,SiC功率半导体的市场总额将达16.44亿美元。从产品来看,SiC SBD二极管和SiC MOSFET将成为行使最众的产品。SBD二极管大量用于各栽电源中,实现功率因素校正(PFC)等功能。SiC MOSFET的主要用途是在众栽行使场景中替代Si IGBT。

数据来源:Infineon

SiC功率器件的市场空间和驱动因素:

新能源汽车是SiC功率器件市场的主要添长驱动因素。现在 SiC器件在新能源车上行使主要是功率限制单元 (PCU)、反变器,DC-DC转换器、车载充电器等方面。

PCU:此为车电编制的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU操纵硅材料制成。至于操纵SiC材料则可隐微降矮电能消耗,约10%,同时也能够大幅降矮编制大幼和重量

反变器:SiC能够大幅度降矮反变器尺寸及重量,做到轻量化与节能。在相通功率下,全SiC模块的封装尺寸隐微幼于Si 模块,同时也能够使开关消耗降矮75%。2018年,特斯拉Model3 的反变器采用了ST生产的SiCMOSFET,每个反变器包括了48个SiCMOSFET。Model3 的车身比ModelS 减幼了20%

车载充电器:SiC正在添速排泄至车载充电器周围。根据Yole统计,截至2018年有超过20家车厂在自家车载充电器中采用SiCSBD 或SiCMOSFET,这一市场在2023年之前可看保持44%的添长

数据来源:Cree 官网;Geekcar

随着6英寸SiC 单晶衬底和外延晶片的弱点降矮和质量挑高,SiC 器件制备能够在现在现有6英寸Si 基功率器件滋长线上进走,这进一步降矮SiC材料和器件成本,推进SiC 器件和模块的遍及。

未完待续,下期将仔细为您解读第三代半导体芯片在产业链各个环节 (衬底、外延、设计、制造、封装) 的关键技术,及国内外产业地图。 版权声明 -->

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