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第三代半导体商用提速 8英寸碳化硅时代来临

2022年6月30日 08:01  21世纪经济报道  

眼下,国内在碳化硅领域的上游产业环节还存在提升空间,如部分环节的设备缺席、缺乏规模化生产平台等,这意味着产业链发展还需平衡。

不同于第一代半导体材料硅基的发展在国内正面临一系列掣肘,作为化合物半导体材料的碳化硅器件正逐渐迎来商用加速期。

在此领域,由于国内外的起步和发展时间相差不大,而成为备受关注的突围市场。

特斯拉率先让碳化硅器件上车起到了关键推动作用。多方机构都预测,在未来5-10年间,碳化硅器件的应用增长点会陆续涌现,包括新能源汽车、储能、光伏风能发电、5G通信等领域。

近日举行的2022 中国·南沙国际集成电路产业论坛期间,多名业内人士都指出,随着海外大厂开始小规模量产8英寸碳化硅器件,8英寸时代正在到来。当然,眼下国内在碳化硅领域的上游产业环节还有提升空间,比如部分环节的设备缺席、缺乏规模化生产平台等,这意味着产业链发展还需平衡。同时需要关注的是,如今国内各地都在积极建设碳化硅相关产业生态,随着产业发展到一定阶段,可能也将迎来一定程度的并购融合。

 碳化硅时刻

碳化硅商用落地的典型代表就是特斯拉,在其推动下,碳化硅的应用进度和市场空间都打开了想象力。

基本半导体董事长汪之涵在前述论坛演讲中指出,从1982年IGBT发明到现在,其仍然是功率半导体器件中最为重要的一个,在各种电力电子应用中发挥着巨大作用。

不过在过去几年时间里,人们欣喜地发现,在很多高端应用中,碳化硅MOSFET已经逐渐取代硅基IGBT。“这个取代的过程和势头,似乎比大家前几年的判断来得更早更快,所以我们认为,碳化硅成为功率半导体主流的时代似乎已经来到。”他续称,虽然目前碳化硅器件的成本比硅基IGBT要高不少,但从全生命周期成本来看,通过使用碳化硅器件,现在的账已经能算过来了。

根据Yole研判,到2027年预计全球碳化硅芯片市场规模约63亿美元,其中接近80%的市场(也即约50亿美元)来自于新能源汽车。汪之涵指出,根据其团队测算,随着碳化硅产品成本降低,到2027年,一辆车上不同部件使用碳化硅的价格在2000-3000元,那么届时全球将有一千万辆车使用碳化硅器件,实际上这个数量将只多不少。

芯粤能半导体CTO相奇则指出,“双碳”战略正开启新能源转换的黄金时代,其中电能转换推动需要功率器件,碳化硅器件在其中优势尽显。

根据机构统计,到2030年,中国大陆总用电量将达到10.5万亿度/年,若能用碳化硅功率器件替代传统硅基器件,可节电万亿度,约等于10座三峡大坝。

从应用端来看,新能源汽车、光伏和储能、航天、工业等领域牵引下,全球碳化硅市场的规模正快速成长,预计2019-2025年的复合年均增长率为30%。

山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆教授徐现刚也指出,碳化硅单晶应用主要为两个方面:一是电力电子碳化硅器件领域,在导电型衬底之上做碳化硅同质外延,如新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件上应用;二是把碳化硅作为衬底材料,生长氮化镓材料的异质外延,在高频大功率微波电子器件里获得了较大应用,也在雷达、通信系统等方面有应用。

不过,目前国内在碳化硅功率器件和衬底市场依然有较大发展空间。据调研机构Yole统计,无论是碳化硅器件销售额,还是碳化硅导电型衬底市场视角来看,占据主要份额的都为来自美国、欧洲和日本的公司,部分情况下甚至有垄断态势。

 加速研发推进

一种观点认为,在关键碳化硅衬底技术方面,国内和海外厂商的差距大约是2-3年,但随着集中力量推进研发,这个时间差距有望进一步缩短。

徐现刚在演讲中指出,从衬底发展来看,海外厂商在十年前突破了6英寸衬底技术,目前已稳定导入产业;并在国内“十三五”期间突破了8英寸衬底量产的关键难题,正快速导入量产进程。

国内厂商近些年来也在积蓄经验后快速推动研发落地。“针对碳化硅单晶的研究前期,我们亟需和下游密切配合。在研发2-3英寸单晶时,很难找到电力电子大规模应用,所以我们找到了光电子应用;在6英寸和8英寸单晶上,我们希望和半导体界以及电力电子行业密切配合,也做好了准备。产业角度的需求已经非常旺盛;技术路线上,碳化硅外延的整个产业链不存在被制约发展的问题,所以我认为,8英寸时代真正到来了。”

一名碳化硅器件创业者也向21世纪经济报道记者指出,全球碳化硅衬底龙头Wolfspeed已经在近期的电话会上表示,将建设第二座8英寸晶圆厂。“所以我们对这个趋势还是很有信心。”

他续称,就像最开始一种观点认为硅基不用那么着急被碳化硅器件替代一样。特斯拉作为第一个吃螃蟹的人成功之后,大家都开始积极跟进,才有了现在被认为行业将爆发式增长的预期。“所以我想碳化硅晶圆尺寸发展也一样,成熟的8英寸衬底推出后,必然会让成本降低。当然先要面对研发、材料良率低等现阶段难题,但实际上随着技术进步,这也是之前6英寸研发过程中都遇到过的情况。”

还有一个不可忽视的问题是各地的积极建设。一些行业人士指出,在未来十年,整个碳化硅行业面临着巨大机会,同时挑战也很大。目前国内多个省份和城市已经开始推动碳化硅材料和器件等环节的大规模项目落地,这一方面意味着各地都在认可碳化硅的发展未来并积极促进,但另一方面,大规模建设后,在未来几年可能也会面临行业整合过程。

对此,广州芯谋研究总经理谢瑞峰向21世纪经济报道记者表示,不同地方的产业发展有其各自路径。对于南沙区来说,汽车行业集聚是这里的核心特色和亮点,因此围绕汽车生态、车规级芯片进行发展就有其可行性。

同时,目前南沙在碳化硅领域的产业链已经部署相对完善。“我们称为‘聚沙成塔’,打开地图看会发现,南沙的确是一家一家公司拼图一样拼出了一个产业园,从南砂晶圆开始不断延伸产业链。因此我们认为,南沙发展半导体产业有其独特的思路和节奏。”

(作者:骆轶琪 编辑:张伟贤)

编 辑:魏德龄
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