《华为布局第三代半导体材料》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2019-08-31
  • 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。

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  • 《5G催生第三代半导体材料利好,GaN将脱颖而出》

    • 来源专题:集成电路
    • 编译者:shenxiang
    • 发布时间:2018-11-09
    • 相较目前主流的硅晶圆(Si),第三代半导体材料SiC与GaN(氮化镓)具备耐高电压特色,并有耐高温与适合在高频环境下优势,其可使芯片面积大幅减少,并简化周边电路设计,达成减少模块、系统周边零组件及冷却系统体积目标,GaN应用范围包括射频、半导体照明、激光器等领域。 现行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si两种晶圆进行制造,其中GaN-on-SiC强调适合应用在高温、高频的操作环境,因此在散热性能上具优势,其以5G基地台应用最多,预期SiC基板未来在5G商用带动下,具有庞大市场商机。 5G高频特性,使GaN技术有伸展空间 目前基地台用功率放大器(Power Amplifier,PA)主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)技术,不过LDMOS技术仅适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。 由于LDMOS功率放大器的频宽会随着频率增加而大幅减少,运用于3.5GHz频段的LDMOS制程已接近限制,性能开始出现下滑,在考虑5G商用频段朝更高频段发展下,过去LDMOS将逐渐难以符合性能要求,因此第三代半导体材料GaN技术崛起;由于GaN技术支援更高资料容量之多资料传输,同时搭配5G高速网络,不论在频宽、性能、容量、成本间可做出最佳成效。 换言之,GaN优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency,输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率),尤其在5G多输入多输出(Massive MIMO)应用中,可实现高整合性解决方案,例如模块化射频前端元件,以毫米波(Millimeter Wave,mmWave)应用为例,GaN高功率密度特性可有效减少收发通道数及尺寸,实现高性能目标,然短期LDMOS会与GaN共存,主要原因在于低频应用仍会采用LDMOS,例如2GHz以下应用领域。 5G基地台的功率放大器将以砷化镓与GaN制程为主 从Qorvo产品应用来看,采用GaN技术将天线阵列功耗降低40%,透过整合式多通道模块、3~6GHz及28/39GHz频段在射频前端产品的布局,更加强调高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目标达成。 其中GaN可达LDMOS原始功率密度4倍,每单位面积功率提高4~6倍,即在相同发射功率规格下,GaN裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6~1/4。由于GaN具有更高功率密度特性,能实现更小元件封装,满足Massive MIMO和主动天线单元(Active Antenna Unit,AAU)技术下射频前端高度整合需求。 目前GaN运用以5G基础设施(如基地台)为主,手机较难采用GaN技术,主要挑战包括:(1)GaN成本高;(2)GaN供电电压高;较不符合手机需求,不过若未来透过改进GaN射频元件特性,仍有可能应用于手机,例如加入新的绝缘介质与沟道材料,使其适应低电压工作环境。无论如何,GaN已成为高频、大功耗应用技术首选,包括需高功率水平的传输讯号或长距离应用,例如基地台收发器、雷达、卫星通信等。
  • 《中国半导体产业崛起:政策频出 但核心技术仍差三代》

    • 来源专题:集成电路
    • 编译者:tengfei
    • 发布时间:2017-11-20
    • 一块指甲大的芯片,背后承载的也许是一一场场有关技术的较量。 随着国家对集成电路产业扶持政策的落地以及这几年来中国企业的奋起追赶,在世界的舞台上,来自中国半导体行业的声音愈发响亮。 中国半导体行业协会副理事长陈南翔在2017年中国半导体市场年会上表示,2016年全球半导体市场规模为3389.3亿美元,同比小幅增长1.1%。欧美地区呈下滑态势,其中美国市场下降4.7%,而亚洲地区增长3.6%。2016年中国集成电路的市场规模达到11985.9亿元,占全球半导体市场的一半以上。 特别是一些优秀半导体企业在各自领域对欧美强者发起了猛烈的攻势,如华为海思在人工智能芯片上的厚积薄发,又如紫光展讯在市场技术上较量的无所畏惧,在产业话语权的争夺上,外界看到了更多来自中国企业的身影。 “后发”追赶 根据中国半导体行业协会统计,2016年,中国集成电路产业销售额达到4335.5亿元,同比增长20.1%。设计、制造、封测三个产业销售额分别为1644.3亿、1126.9亿及1564.3亿,增长速度分别为24.1%、25.1%及13%,设计和制造环节增速明显快于封测,占比进一步上升,产业结构趋于平衡。 陈南翔表示,预计未来几年内,中国仍是全球最大的集成电路市场,且将保持20%左右的年均增长率。 集邦咨询半导体研究中心(DRAMeXchange)分析师郭高航对第一财经表示,中国半导体产业能够迅猛发展,主要得益于国产替代进口的需求,政策和资金的支持以及终端需求引导三大因素。 政策和资金的支持带动了该行业的发展。2014年6月,国务院颁布了《国家集成电路产业发展推进纲要》;同年9月,国家集成电路产业投资基金(亦称“大基金”)正式设立,首期募资1387.2亿元。2017年初,在上海举办的一次产业峰会上,国家集成电路产业投资基金有限公司总经理丁文武介绍称,截至2016年底,国家大基金成立两年多来,共决策投资43个项目,累计项目承诺投资额818亿元,实际出资超过560亿元。已实施项目覆盖了集成电路设计、制造、封装测试、装备、材料、生态建设等各环节。 全国各地也纷纷成立基金以支持集成电路发展,北京、上海、四川、湖北等多个省市设立集成电路产业投资基金。2013年12月,北京宣布设立集成电路产业发展股权投资基金,基金总规模300亿元。上海市集成电路产业基金、南京市集成电路产业专项发展基金、安芯产业投资基金(福建)基金规模均高达500亿元。据不完全统计,一期的大基金能够撬动地方资本大概有5000亿元。此外,一些投资机构也在积极寻找一些热门的前沿标的。 郭高航认为,从计算机到手机,到现在最热的AI,中国半导体应用的终端越来越广。临近万物互联的时代,很多新兴应用出来, AR、VR、可穿戴设备、车联网以及工业控制方面新增的需求等终端需求引导上游中游产业更快地发展。 以小博大 在部分高精尖技术领域,中国厂商开始逐渐攻破技术壁垒。 集成电路产业主要由集成电路设计、芯片制造和封装测试三个环节组成。郭高航表示,目前,在设计和封测领域,中国与美国等先进企业差距已经缩小了,但是制造方面还存在不少差距。 “目前封测是在我国做得最好的,是我国在相关产业链环节发展得最快和最久的,国内最大的三家封测厂长电科技股份有限公司(长电科技)、通富微电子股份有限公司(通富微电)以及天水华天科技股份有限公司(华天科技)从2015年开始都有对国外巨头以及先进技术的封测厂商进行并购,通过并购获取了先进的技术、客户和市场。”郭高航对记者说。 据集邦咨询拓墣产业研究院最新发布的2017年全球IC封测代工营收排行榜,在专业封测代工的部分,前三名依次为日月光、安靠、长电科技,华天科技、通富微电分别位列第6、7名。该研究院指出,中国内地封测厂商在高端封装技术(Flip Chip、Bumping等)及先进封装(Fan-In、Fan-Out、2.5D IC、SiP等)的产能持续开出,以及因企业并购带来的营收认列带动下,包含长电科技、天水华天、通富微电等厂商2017年的年营收多维持双位数成长,表现优于全球IC封测产业水平。 此外,中国内地设立的新晶圆厂产能将陆续开出,根据企业发布的产能规划,估计2018年底前中国内地12英寸晶圆每月产能可新增16.2万片,为现有产能1.8倍,预计将为2018年中国内地封测产业注入一剂强心针。 而在人工智能浪潮的影响下,英伟达、英特尔、高通等IT巨头都纷纷加紧AI芯片的布局,中国芯片公司也不甘落后。 在柏林国际消费电子产品展上,华为发布了首款人工智能芯片麒麟970,是业界首颗带有独立NPU(神经网络单元)专用硬件处理单元的手机芯片。而首款采用该芯片的华为手机Mate 10也于16日在德国慕尼黑正式发布,表明中国人工智能芯片应用领域处于领先地位。 麒麟970搭载的NPU是智能芯片研发公司寒武纪于2016年发布的寒武纪1A处理器(Cambricon-1A Processor)。今年8月,寒武纪获得1亿美元A轮融资,由国投创业(A轮领投方)、阿里巴巴创投、联想创投、国科投资、中科图灵、元禾原点(天使轮领投方)、涌铧投资(天使轮投资方)联合投资,是全球首家AI芯片领域的“独角兽”公司。 郭高航表示,华为的麒麟970亮点也很多,和高通差距不大,甚至在一些方面领先。不过他也坦言,将海思和全球顶尖的芯片设计公司对比,还是有明显差距,海思2016年研发投入占比23%~24%,除了高通之外,和其他国际顶尖巨头相差不大,但是总的资金规模仍有较大差距。 掌握核心技术仍需要时间 虽然设计和封测领域已经能够追赶其他发达国家与地区,但从整体盘面来看,芯片制造方面差距则较大。 在半导体制造过程中需要大量的半导体设备和材料,郭高航对记者指出,国内厂商在制造方面与国际先进企业存在较大差距。设备方面,北方华创的刻蚀机能做到28nm级别,但也没有大规模量产,而现在国际最先进的技术已经到7nm级别, 相差三代,光刻机领域的差距更大。 材料端包括硅片、光刻胶、研磨材料、溅射靶材、化学气体、化学材料等,每项差距都不同。硅片方面,上海新昇进度偏慢。光照方面,中芯国际有自己附属的光照厂,覆盖28nm以上。郭高航称,国内光照厂很多关注在LED面板等低端领域。 根据市调机构公布的晶圆产能报告,截至2016年底,在12英寸晶圆产能中,三星以22%位居全球第一,第二位是占14%的美光,SK海力士与台积电均为13%,并列第三,中芯国际(2%)与力晶科技并列第九。其中,在纯晶圆代工厂商中,中芯国际和力晶并列第四,在台积电、GlobalFoundries和联电之后。 此外,最大的问题也许还是人才和技术存在的先天短板。 “因为技术瓶颈的突破一定会有一个学习曲线在里边,已经领先的厂商遇到过的问题,后进者也会遇到,而且还要想办法绕过前者专利方面的问题。在研发投入方面,海思只是个例,其他中国芯片设计企业应向其学习。还有人才方面,由于中国半导体产业框架从2015年开始才逐步完善,因此产业氛围不足,人才体系的培养也还不成形。不过,随着产业氛围越来越浓厚,人才培养自然也会更完善,同时也会引进高端人才。2018年一大批的晶圆厂要量产。”郭高航对记者说。 而芯片代工巨头台积电一工程师对第一财经记者也坦言,目前美国等国家都会保护先进的技术,但国内政府的鼓励措施会缩小国内公司与国外的差距。在谈到人才引入问题时,他表示,现在不少企业会开出非常高的薪资,“能诱使台积电的人跳槽的第一个原因是薪资,第二个是他们是不是真的能做他们想做的事。甚至有时候,实现自我成就会比工资更重要。”上述人士说。