《2025年,第三代功率半导体市场规模将达33亿美元》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2022-03-21
  • 第三代半导体将是未来半导体技术的关键。集邦咨询(TrendForce)的调查显示,在 2018 年至 2020 年因贸易战和 Covid-19 大流行而推迟之后,由于汽车、工业和电信应用的需求回升,第三代半导体领域可能会进入快速回升阶段。

     

    集邦咨询指出:碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在电动汽车(EV)和快充电池市场具有相当大的发展潜力。预计第三代功率半导体的产值,将从 2021 年的 9.8 亿美元、增长到 2025 年的 47.1 亿美元 —— 符合年增长率(CAGR)为 48% 。

     

    首先来看下大功率的碳化硅(SiC)器件,其能够在储能、风电、光伏、EV 新能源等领域发挥重要的作用。目前市面上的电动汽车,其功率半导体仍更加依赖于硅基材料(IGBT / MOSFET)。不过随着 EV 电池动力系统逐渐发展到 800V 以上的电压等级,SiC 将在高压系统中具有更高的性能表现。

     

    特斯拉已开始在其用于 Model 3 车辆的内部逆变器中采用意法半导体的 SiC 设计。根据英飞凌的说法,采用 SiC 设计的同一辆车的功率可以延长 4%,因为功率占 EV 费用的很大一部分,汽车行业已经开始越来越重视第三代半导体。英飞凌预测 SiC 芯片将占汽车电力电子元件的五分之一。过去节油靠发动机,现在节能靠第三代半导体。

     

    随着 SiC 逐步替代部分硅基础设计,整车架构和性能都将迎来大幅改进和提升。预计到 2025 年的时候,SiC 功率半导体的市场规模可达到 33.98 亿美元。

     

    其次是适用于高频场景的氮化镓(GaN)旗舰,其在手机 / 通讯设备、平板 / 笔记本电脑上具有相当大的应用前景。与传统快充方案相比,GaN 具有更高的功率密度,能够在更加轻巧、便携的封装内实现更快的充电速度。

     

    预计到 2025 年的时候,GaN 功率半导体市场规模可达到 13.2 亿美元。此外集邦咨询强调,第三代功率半导体基板相较于传统硅基板的制造难度和成本也都更高。

     

    好消息是,目前各大基板供应商都呈现了努力发展的态势。随着 Wolfspeed、II-VI、Qromis 等公司相继扩大产能,预计今年下半年可实现 8 英寸基板的量产,且未来几年仍有相当大的持续增长空间。

     

    事实证明,SiC和GaN的优势对诸多供应链的厂商有极大的吸引力,其中不少厂家早已积极投身于此类材料的研发。

     

    台积电正专注于硅基氮化镓的发展。虽然这项技术在通信方面受到限制,但它在汽车应用中是一个具有竞争力的组件。台积电在年报中透露,2020年已开发150和650电压。去年2月,意法半导体宣布与台积电合作制造汽车化合物半导体。

     

    台积电在制造 8 英寸晶圆的 GaN 器件方面取得了进展,而 6 英寸晶圆仍然是化合物半导体的主流。台积电许多退役的 8 英寸晶圆厂将承担新的化合物半导体生产。

     

    与台积电一样,VIS 也专注于 GaN on Silicon 衬底的开发。VIS 总裁 Leuh Fang 表示,该代工厂的目标是建立一个完整的制造工艺,包括晶圆超薄化。

     

    Sino-American Silicon Products Inc. (SAS)正在扩展第三代半导体,去年,该公司成为化合物半导体制造商AWSC进入电信应用领域的最大股东。据《财富》杂志报道,其子公司 Global Wafer 也在塑造第三代半导体基板的生产,但仍需提高良率和成本。

     

    SAS 总监 MK Lu 表示, “ 6 英寸硅片成本为 20 美元,而 6 英寸 SiC 晶圆成本为 1,500 美元,”他表示,汽车 SiC MOSFET 只有在 SiC 成本降至 750 美元以下时才会普及, “这将需要五年多的时间。”

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    • 根据TrendForce集邦咨询最新报告《2021第三代半导体功率应用市场》,受益于新能源汽车、光伏储能、智能电网、工业自动化等下游应用市场需求的多点爆发,功率半导体市场迎来了此轮高景气周期。第三代半导体SiC/GaN将通过突破Si性能极限来开拓功率半导体新市场,也将在部分与Si交*领域达到更高的性能和更低的系统性成本,是未来功率半导体产业发展的重点方向。 TrendForce集邦咨询分析2025年第三代半导体SiC/GaN功率市场规模合计可达47.1亿美元,相比2020年7.3亿美元,CAGR达45%。 SiC功率产业链结构分析 N型SiC衬底:作为产业链最关键环节,Wolfspeed/SiCrystal(Rohm)/II-VI等国际大厂占据了绝大部分市场份额,其中Wolfspeed位于美国北卡罗莱纳州的8吋SiC衬底产线预计将在2022年上半年开始产能爬坡。天科合达/山东天岳/烁科晶体/同光晶体等中国厂商开始崭露头角,但主流尺寸仍停留在4吋,6吋刚刚步入量产,与国际巨头差距不小。 外延:衬底或器件厂正在向产业链上下游延伸具备外延能力,纯粹的外延片供应商较少,主要集中在昭和电工/台湾嘉晶/瀚天天成/东莞天域。 器件:自SiC二极管首次商业化以来,SiC功率市场一直由供电应用推动,直到其2018年首次应用于特斯拉主驱逆变器后,汽车逐渐成为杀手级应用。SiC功率器件可靠性及成本已达到了电动车、光伏、轨道交通等应用要求,市场进入高速增长期。 根据TrendForce集邦咨询分析,全球SiC功率市场规模将从2020年的6.8亿美元增长至2025年的33.9亿美元,CAGR达38%。 晶圆代工:市场尚处于起步阶段,目前具备规模化代工能力的Foundry主要集中在德国X-Fab和台湾地区汉磊。 GaN功率产业链结构分析 GaN-on-Si已成为GaN功率器件主流结构。 外延:全球主流GaN外延片供货商依旧集中在欧洲国家及日本,中国企业尚未进入供给端第一梯队。除了纯粹的外延厂以外,部分晶圆代工厂在产业链上进行延伸,同样具备外延能力。 器件:面向消费市场的650VGaN产品已经形成了批量供货能力,但更高压器件仍然较少。 根据TrendForce集邦咨询分析,Navitas/PI/英诺赛科将占据2021年GaN功率市场前三名。与此同时,全球GaN功率市场规模预计将从2020年的4800万美元增长到2025年的13.2亿美元,CAGR达94%。 晶圆代工:台积电、世界先进等传统硅晶圆Foundry正在向这个市场靠拢,另外还包括X-Fab等特种工艺Foundry。 第三代半导体功率应用场景分析 新能源汽车:汽车市场对于延长电池续航、增加电池容量及缩短充电时间等有着极大需求,电池系统正朝着800V方向迈进,这使能承受高电压的SiC被寄予厚望,未来SiC将在主驱逆变器/OBC/DC-DC等组件中大放异彩。另一方面,GaN虽受限于可靠性等问题,但宝马等车企已经开始尝试,可见上车之路并不遥远。 消费电子:数位产品能耗与电池容量限制推动了GaN在消费快充市场的大规模应用。 根据TrendForce集邦咨询分析,随着GaN功率晶体管价格不断下降,以及技术方案愈趋成熟的态势下,预估至2025年GaN在整体快充领域的市场渗透率将达到52%。 光伏储能:“光伏+储能”已成为多国光伏开发的标准配置,逆变器的新增及替换市场正处于高速增长阶段。第三代半导体为实现光伏逆变器的“高转换效率”和“低能耗”提供了所需的优良性能,对提升光伏逆变器功率密度、进一步降低度电成本至关重要。 TrendForce集邦咨询重点分析2021第三代半导体SiC/GaN功率产业链结构、应用场景、供求关系、主要厂商情况等。相信能为读者在第三代半导体功率市场经营与销售提供全面布局。
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    • 编译者:shenxiang
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    • 据媒体报道,华为今年4月刚成立的哈勃投资已于近期入股山东天岳,并获得了10%的股份。山东天岳核心产品为第三代半导体材料碳化硅。据公司官网介绍,碳化硅被称为是第三代半导体的核心材料,具有耐高压、耐高频等突出特点。 华为通过哈勃投资入股山东天岳,或许表明其对于第三代半导体材料前景的认可。资料显示,哈勃科技投资有限公司注册资本为7亿元人民币,由华为投资控股有限公司100%控股。 哈勃投资,名字颇具深意。哈勃望远镜自1990年搭乘美国“发现者号”航天飞机进入太空,开启了自己的传奇一生。如果要探索太空,是离不开哈勃的。设立哈勃投资,或表明了华为意图通过产业投资,对科技前沿领域进行探索的初衷。 历数三代半导体材料 自半导体诞生以来,半导体材料便不断升级。第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料,其在 集成电路 、电脑、手机、航空航天、各类军事工程等领域中都得到了极为广泛的应用。 第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。 第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。因信息高速公路和互联网的兴起,还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。 第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。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、更高的热导率、更大的电子饱和度以及更高的抗辐射能力。 在应用方面,根据第三代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域,宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。 各国高度重视第三代半导体发展 目前,许多国家将第三代半导体材料列入国家计划。美国、欧盟均建立了相应的中心及联盟, 致力于研发第三代功率半导体 功率器件 。 我国政府主管部门高度重视第三代半导体材料及相关技术的研究与开发。从2004年开始对第三代半导体技术领域的研究进行了部署,启动了一系列重大研究项目。2013年科技部在“863”计划新材料技术领域项目征集指南中,明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。2015年和2016年国家科技重大专项02专项也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。 碳化硅电力电子器件市场在2016年正式形成,根据Yole预测,碳化硅市场规模在2021年将上涨到5.5亿美元,年复合增长率可达到19%。由于我国具有广阔的应用市场,届时国产功率半导体市场也将实现大规模的增长。 哪些上市公司率先布局了碳化硅? 三安光电主要从事化合物半导体材料的研发与应用,专注于碳化硅、砷化镓、氮化镓等半导体新材料及相关领域。今年3月,三安光电旗下三安集成电路与美的集团达成战略合作,双方共同成立第三代半导体联合实验室,将通过研发第三代半导体功率器件导入白色家电,推动产业创新发展。 海特高新目前已完成包括砷化镓、氮化镓、碳化硅及磷化铟在内的6项工艺产品的开发,可支持制造功率放大器、混频器、低噪音放大器、开关、光电探测器、激光 器、电力电子等产品,产品广泛应用于5G移动通信、 人工智能 、雷达、 汽车电子 等领域。截止目前公司部分产品已实现量产,服务客户数和订单持续增加。 楚江新材在超高温热工装备领域具备领先优势,是国内唯一具有碳及碳化硅复合材料热工装备、高端真空热处理系列装备、粉末冶金系列热工装备三大系列且均保持领先的高端热工装备企业。