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价格降至临界点,第三代半导体爆发在即?

近期,阿里巴巴达摩院发布2021年十大科技趋势,“第三代半导体迎来应用大爆发”位列第一。达摩院指出,第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场。未来5年,基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景。


“性价比优势”是形成市场穿透力的敲门砖。长期以来,第三代半导体受限于衬底成本过高、制备困难、应用范围小等因素,成本居高不下,限制了市场接受度的提升。随着应用空间逐渐拓展,制备技术日益成熟,第三代半导体逐渐从产品导入期走向市场拓展期。但也需看到,国内第三代半导体企业多处于研发或小批量供货阶段,要实现第三代半导体的规模化商用,还需要产业链上下游的共同作为。


性价比优势日益凸显


半导体领域素有“一代材料、 一代技术、 一代产业”的说法。作为产业链最上游的核心部分,材料的影响力贯穿半导体产业始终,不仅用于制造和封测工艺,也直接影响芯片的供货效率和性能质量。


“小巧、高效、发热低”——小米董事长雷军对氮化镓充电器的评价,道出了第三代半导体的性能优势。相比硅材料,第三代半导体拥有耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等先天优势,相比硅器件可降低50%以上的能量损失,并减小75%以上的装备体积。


不过,第三代半导体虽然优势显著,却尚未进入大规模化商用阶段。由于制备工艺成熟、自然界储备量大且应用广泛,硅器件形成了难以逾越的价格优势。相比之下,第三代半导体的单晶及外延材料价格昂贵,制备工艺难度较大且衬底成本高。相比传统6英寸硅衬底,碳化硅衬底的价格高出数十倍之多。


既然价格上缺乏优势,第三代半导体的性价比优势,体现在哪些维度?


“第三代半导体器件的性价比主要体现在综合开销上。” 阿里达摩院十大科技趋势项目组专家告诉《中国电子报》记者。


据该专家介绍,得益于第三代半导体电力电子器件的高频特性,围绕器件布局的无源元件可减小和减少,从而减少物质开销;其次,器件高压特性可以使部分多级降压或升压模式改变为单级模式,有效减少元器件数量;此外,器件耐高温特性可以使模组或系统散热成本有效降低,目前正在快充、逆变器等应用中逐步体现。


碳化硅供应商基本半导体向记者提供的资料显示,在新能源汽车使用碳化硅MOSFET 90-350kW逆变器时,可减少6%~10%的电池使用,并节省空间占用及冷却系统需求。虽然碳化硅器件的成本增加值在75~150美元,却节约了525~850美元的综合开销。


这种系统性成本优势,可谓第三代半导体的“杀手锏”。


同样值得注意的是,虽然硅器件成本优势显著,但价格下降空间已所剩无几。相较之下,第三代半导体尚有充足的降价空间。


CASA Research数据显示,耐压600V-650V碳化硅SBD在2019年的均价是1.82元/A,较2017年年底下降了55.6%,与硅器件价格差距缩小到2.4倍左右。1200V碳化硅SBD虽然与硅器件的价格差距在5倍左右,但均价较2017年下降了37.6%。


这种降价幅度,在硅产业已经难以想象。随着5G、新能源汽车等下游市场对第三代半导体的需求上扬,以及制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断突破,第三代半导体的性能日益稳定且价格持续下探,性价比优势将持续凸显。


规模商用尚需时日


市场边界的拓展,让第三代半导体从半导体照明等小批量应用,走向了更加广阔的市场空间。但也需看到,国内第三代半导体企业多数处于研发、项目建设或小批量供货阶段,对企业营收的贡献比例较低,第三代半导体的大规模商用尚需时日。


达摩院十大科技趋势项目组专家向记者表示,第三代半导体要走向规模化、商用化,至少要满足五个条件:一是细分领域的代际优势获得市场进一步验证;二是元器件可靠性可满足整机厂商对消费端、工业端等的差异化需求;三是应用端利润能基本覆盖材料到制程的投入;四是面向第三代半导体器件与电路的专业工程师群体的成长;五是代工体系能有效支撑通用芯片的稳定供货。


“产业链必须在第三代半导体优势应用领域和细分环节做纵深整合和迭代尝试,突出应用需求牵引,才能使产业链具备内生动力。同时,要发挥政策及龙头企业的带动优势和区域优势,通过垂直整合和兼并重组,做强优势方向,重视材料与制程的协同突破,加强知识产权保护和第三代半导体产业人才的培养。”该专家指出。


赛迪顾问新材料产业研究中心副总经理杨瑞琳也向记者表达了类似的观点,第三代半导体的规模化商用,要以应用为牵引,关注5G、新能源汽车充电桩、特高压及轨道交通四大“新基建”领域的市场机会,以核心技术突破及量产技术落地加速产业化进程,推动产业上下游协同发展。


“对于企业而言,首先要通过扩大产能,降低固定成本,推动晶圆成本降低;同时,基于大尺寸材料生长技术等更加成熟的制备技术,通过更大尺寸的衬底降低器件的加工难度和生产成本。此外,可与大客户签订长期合作合同,提升供应稳定性。” 杨瑞琳说。


从市场穿透力来看,在高温、强辐射、大功率等特殊场景,第三代半导体差异化优势显著。但在功率器件等被视为第三代半导体适用性最强的市场,硅材料仍占据主导地位。综合中国电子标准化研究院和Yole数据,2019年碳化硅、氮化镓电力电子器件市场渗透率约为2.5%,尚处于产品导入阶段。


“由于衬底成本过高,制程条件相对困难,第三代半导体市占表现长期受限,预计10年后市占仍将低于整体半导体市场的一成以下。”TrendForce集邦咨询分析师王尊民向记者表示。


即便性价比优势在电动车、无线充电器、能源转换器等产业逐渐凸显,让下游客户从已经成熟的硅产品线切换到第三代半导体,绝非一蹴而就。需要产业链各环节在成本控制、产品指标、市场选择上,做出更加合理的部署,做好持久战的准备。


“第三代半导体要走向规模及商用化,现阶段主要考量如何有效降低衬底价格及提高尺寸大小,后续再配合不同材料的制程条件开发(如硅器件开发流程一般),持续渗透功率半导体领域,相信企业发展将逐渐步上正轨。” 王尊民表示,“第三代半导体尚处于产品销售的成长阶段,多数从业者将发布差异化的产品并锁定特定市场,找寻合适的应用场景。预计2021年,第三代半导体将维持百花齐放之势,厂商将持续推出产品并挑战不同的市场机会,提升企业知名度,开拓未来发展空间。”

中国电子报


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