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亚游官网得碳化硅者得天下?面向未来的碳化硅

更新时间:2019-10-13 20:10
 

  华为自涉足创新投资以来,投资风向便备受市场关注。2019年4月23日,华为成立哈勃科技投资有限公司。短短半年不到的时间里,哈勃投资已经投资两家半导体相关公司,碳化硅相关的山东天岳先进材料科技有限公司,电源管理芯片设计的杰华特微电子(杭州)有限公司。

  8月23日,华为发布全球最强算力AI芯片。哈勃科技用投资的方式来进入到芯片生产的上游,也表示华为正围绕芯片制造打造完整的供应能力,在为将来的5G通信、物联网设备甚至是电动汽车产品做准备。

  其实,在《中国制造2025》在电子信息领域的规划中,就早已明确提出要大力发展第三代半导体产业,其中包括以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体电力电子器件制造成套工艺与装备。

  碳化硅凭借出色的性能优势被众多应用行业寄予厚望。作为新兴的战略先导产业,碳化硅正被探索、应用到更多的领域,市场正呈现爆发式增长。

  碳化硅是一种第三代宽禁带半导体材料,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和度以及更高的抗辐射能力,在电动汽车、电源、军工、航天等领域备受欢迎,为众多产业发展打开了全新的应用可能性,被行业寄予厚望。

  5G网络建设、大数据传输、云计算、AI技术、物联网等下游新兴需求,对网络传输速度及容量提出了更高要求。硅材料的负载量已达极限,而碳化硅是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底材料,综合性能较硅材料可提升上千倍。第三代半导体材料凭借着其优异的特性,未来应用前景十分广阔。

  碳化硅在大自然也存在,就是罕见的矿物宝石莫桑石。人类1905年第一次在陨石中发现碳化硅,现在主要来源于人工合成。

  从产业链角度看,碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节,目前全球碳化硅市场基本被国外企业所垄断。

  在全球市场中,单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等,外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等,器件方面,全球大部分市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

  由于碳化硅产业环节如芯片性能与材料、结构设计、制造工艺之间的关联性较强,不少企业仍选择采用IDM模式,如罗姆和Cree均覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件、模组全产业链环节,其中Cree占据衬底市场约40%份额、器件市场约23%份额。

  碳化硅器件在国内光伏逆变器、车载充电器、充电桩等领域虽已开始应用,但国内市场上大部分碳化硅功率器件依赖进口,主要为Cree、Infineon、日本罗姆等占有。

  1987年成立的美国科锐在碳化硅衬底材料、外延片、器件和模块领域占据着绝对领先地位。

  前不久,英飞凌宣布以1.39亿美元收购初创企业Siltectra,获得后者创新技术ColdSpilt以用于碳化硅晶圆的切割上,进一步加码碳化硅市场。

  X—Fab、日本罗姆等企业早些时候也相继宣布将扩大碳化硅产能,碳化硅产业海外重要玩家已开始备战。

  据相关数据统计,中国约有碳化硅冶炼企业三百多家,年生产能力近三百万吨。碳化硅加工制砂微粉生产企业主要分布在河南、山东、江苏、吉林、黑龙江等省。中国的碳化硅冶炼生产工艺、技术装备和单吨能耗达到世界领先水平,黑、绿碳化硅原块的质量水平也属世界级。

  碳化硅粗料已能大量供应,但是技术含量极高的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。碳化硅晶片在我国研发尚属起步阶段,碳化硅晶片在国内的应用较少,碳化硅材料产业的发展缺乏下游应用企业的支撑。

  事实上,目前整个碳化硅产业尚未进入成熟期。国内碳化硅产业仍处于起步阶段,与国际水平仍存在差距。在政府政策支持以及市场需求的驱动下,国内已初步形成了涵盖各环节的碳化硅产业链。

  单晶衬底领域企业主要有山东天岳先进材料科技有限公司,北京天科合达半导体股份有限公司,河北同光晶体有限公司,中科钢研节能科技有限公司等。

  外延片领域企业主要有瀚天天成电子科技(厦门)有限公司、东莞市天域半导体科技公司等。

  器件模块IDM领域企业主要有中国电子科技集团有限公司,株洲中车时代电气股份有限公司,北京世纪金光半导体有限公司,泰科天润半导体科技公司,厦门芯光润泽科技有限公司,扬州扬杰电子科技股份有限公司,上海瞻芯电子科技有限公司,全球能源互联网研究院有限公司,深圳基本半导体有限公司等。

  作为碳化硅半导体产业链中的中游产品,碳化硅外延晶片对整个产业起着承上启下的作用。

  在碳化硅产业链上,目前福建不仅在中游企业中占据绝对优势,还拥有如闽东电机、东南汽车、金龙汽车、科华恒盛、中船重工等碳化硅器件的重要终端用户群。通过与这些用户的强强合作,以及终端产品市场的带动,可以形成材料、器件和应用的整个产业链互补式发展与整体提升。

  碳化硅有许多用途,行业跨度大,可用于单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等、太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。

  光伏逆变器对光伏发电作用非常重要,不仅具有直交流变换功能,还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。国内逆变器厂家对新技术和新器件的应用还是太少,在光伏逆变器应用上或有突破。

  新能源汽车是碳化硅功率器件的主要增长点,将会逐渐超过光伏领域。以直流充电桩为例,据CASA测算,电动汽车充电桩中的碳化硅器件的平均渗透率达到10%,2018年整个直流充电桩SiC电力电子器件的市场规模约为1.3亿,较2017年增加了一倍多。

  在微电子领域,碳化硅半导体的优势在1000V以上的中高电压范围。1200V以上的碳化硅应用领域有新能源汽车,光伏,机车牵引,智能电网等,高铁机车的牵引电压在6500V以上,地铁则一般在3300V左右。

  微波器件领域是整个碳化硅器件应用的一个细分市场。微波通讯在军用领域的一个典型应用是相阵控雷达,像美国的F/A-18战斗机,已经装备了碳化硅衬底外延氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)。还有地基导弹系统,像萨德系统中的核心器件就是碳化硅衬底外延氮化镓的HEMT,美军已基本全面装备使用,而我国仍未完全立项。

  射频微波领域对应于民用就是通讯领域,也是整个碳化硅半导体产业应用增长的关键领域。2018年6月,首个完整版全球统一5G标准正式出炉。5G的应用会大大推动碳化硅半导体产业化的进程。

  基于碳化硅材料的功率半导体适合应用于高频高功率高工作电压的应用场合。例如,光伏储能和数据中心服务器领域,已经在广泛使用碳化硅器件,随着碳化硅MOS的工作电压的提高,未来高速铁路、风电等领域也是碳化硅的潜在应用市场。

  在航空领域,碳化硅制作成碳化硅纤维,碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料,耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布等。如做成喷气式飞机的刹车片、发动机叶片、着陆齿轮箱和机身结构材料等,还可用做体育用品,其短切纤维则可用做高温炉材等。

  其他的应用方向像LED产品已实现产业化,是非常大的一个应用领域,但专利主要被美国的科锐公司所控制。

  另外,碳化硅材料具有比硅更好的特性,但并非可以完全取代硅。作为最广泛的半导体材料,硅仍然具有它的不可替代的应用领域。

  美国总统奥巴马主导成立第三代半导体产业联盟,欧洲的Smart PM(Smart Powe Management)组织,日本的“首相战略”等,均瞄准并投入巨资推动第三代半导体产业的研究与发展。大力发展第三代半导体产业已在国内外达成共识。

  中国产业信息网数据显示,预计导电型碳化硅衬底片全球市场规模将从2017年的4亿美元增长到2022年的16亿美元,乐观预测甚至能达到34亿美元。半绝缘型碳化硅衬底片全球市场规模将从2017年的4亿美元增长到2022年的11亿美元。

  碳化硅存在很多优势,也存在不少问题,制作工艺、环保、价格在制约进一步发展。随着技术领域的新突破,必然对多个重要领域产生很强的推动作用。