第三代半导体掀起全球扩产潮

第三代半导体掀起全球扩产潮

2024年09月03日 14:12

来源：界面新闻

摘要

【第三代半导体掀起全球扩产潮】如果说PC、智能手机的普及是硅半导体的革命，目前在全球掀起扩产潮的第三代半导体碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）正在寻找下一个落地应用的风口。第三代半导体主要指具有宽带隙特性（注：带隙主要指是指半导体材料中电子从价带跃迁到导带所需的最小能量，大于2.5eV为宽带隙，硅的带隙约为1.1 eV，锗为0.66eV）的半导体材料，因此又称宽禁带半导体，主要包括碳化硅（SiC，带隙为3.2eV）、氮化镓（GaN,，带隙为3.4eV）。

　　如果说PC、智能手机的普及是硅半导体的革命，目前在全球掀起扩产潮的第三代半导体碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）正在寻找下一个落地应用的风口。

　　第三代半导体主要指具有宽带隙特性（注：带隙主要指是指半导体材料中电子从价带跃迁到导带所需的最小能量，大于2.5eV为宽带隙，硅的带隙约为1.1 eV，锗为0.66eV）的半导体材料，因此又称宽禁带半导体，主要包括碳化硅（SiC，带隙为3.2eV）、氮化镓（GaN,，带隙为3.4eV）。

　　与第一代半导体硅（Si）和第二代半导体砷化镓（GaAs）相比，第三代半导体在高温、高压、高频这一类的极端条件下工作更稳定且消耗能量更少，具备更好的性能表现。

　　近些年随着硅晶体管尺寸逼近物理极限，通过缩小晶体管尺寸来提高集成电路性能的方法变得越来难走通，第三代半导体成为了行业探索的新材料方向。

　　作为新技术，第三代半导体的成本整体远高于传统的硅材料。同样生产一个功率半导体元器件，碳化硅的价格是硅的3到5倍，氮化镓成本相对更高。因此按照行业曾经探索降低硅的成本走过的“研发-量产-降低成本-大规模应用”规模化道路，目前围绕碳化硅与氮化镓的落地，全球正在掀起扩产潮。

　　碳化硅的发展速度整体快于氮化镓。近些年来碳化硅被特斯拉等新能源汽车厂商大规模引入车用功率半导体领域，用来生产车载充电器和DC/DC转换器等关键部件。这些应用有助于提高电动汽车的性能，包括增加续航里程、缩短充电时间和提高整体能效。

　　随着碳化硅的加速上车，汽车电子巨头都在加大范围都在大范围扩产，其中以功率半导体巨头英飞凌扩产动作最多。

　　今年8月，英飞凌在马来西亚居林建设的全球最大的200毫米碳化硅 (SiC) 功率半导体晶圆厂新工厂一期项目开业，这也是目前为止全球最大的200毫米碳化硅晶圆厂。按照英飞凌的规划，公司计划五年内向居林工厂投资50亿欧元，目标是到2030年之前，在全球碳化硅市场中所占的份额提高到30%，碳化硅年收入超过70亿欧元。

　　除新能源汽车外，碳化硅的应用逐渐渗透进入光伏、储能等领域，目前全球碳化硅市场由几家国际厂商主导，英飞凌、意法半导体、Wolfspeed、Rohm、Onsemi这五家家公司占有大约70%的市场份额。国内企业如天岳先进、士兰微、瀚天天成、山东天承等也在积极扩产，在市场中占据一席之地。

　　与碳化硅相比，氮化镓在规模与发展速度上有一定差距，应用成本也相对高。但近些年行业也在加速整合，开拓市场。

　　氮化镓由于可以在更小的尺寸下提供更高的功率输出，最早便被引入消费电子领域，用来生产PC及智能手机所用的小功率电子产品，如快充充电器、5G通信和WiFi器件，目前也被被引入自动驾驶激光雷达、数据中心、光伏等大功率工业设备应用市场。

　　此外，氮化镓还具有特殊的优势。氮化镓晶体可以在各种衬底上生长，包括蓝宝石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。生产氮化镓可以使用现有的硅制造基础设施，从而无需使用成本很高的特定生产设施，而且可采用低成本、大直径的硅晶片。

　　美国一家做氮化镓功率器件的公司EPC创始人Alex Lidow近期接受界面新闻采访时介绍，目前行业普遍可以利用原有的硅芯片厂设备生产氮化镓，不需要大规模投资建设新厂，这也在一定程度上降低了氮化镓落地的门槛。

　　Alex Lidow告诉记者，公司自2007年成立以来，其所生产的氮化镓产品已经广泛应用在许多领域，其中自动驾驶激光雷达、数据中心服务器是占比最大的两块应用设备市场，随着生成式AI目前带动数据中心行业的爆发式增长，未来会进一步加快氮化镓产品的普及。

　　在此过程中，氮化镓的成本也进一步下探，价格有希望逼近甚至比碳化硅更低。据其介绍，在2015年左右，EPC推出的氮化镓功率半导体eGaNFET在相同功率情况下已经可以做到与功率MOSFET不相上下的价格优势。

　　对于氮化镓的下一个风口，Alex Lidow最看好人形机器人的应用前景。由于人形机机器人自由度急剧上升，对电机驱动器的需求量大幅增加。为了获得更高的爆发力，需要配置高功率密度、高效率的电机驱动器，氮化镓的优势就在于此。他认为，人形机器人身上许多关键零部件都更适合用氮化镓。虽然目前人形机器人的绝对数量还不够多，未来应用前景尚不明朗，但随着特斯拉以及中国人形机器人公司都在为量产计划做准备，氮化镓公司作为供应商有希望分到这个市场的第一波红利。

　　Alex Lidow曾在传统硅半导体时代作为HEXFET功率MOSFET（六角形场效应晶体管）的共同发明者，拥有三十多项功率半导体技术专利。在他看来，硅半导体器件在性能和效率的提高上已经达到了瓶颈期，碳化硅、氮化镓伴随行业扩产的进程会加速普及。EPC目前最重要的两大市场分别是美国、中国。中国当前也是全球推动第三代半导体发展的重要国家力量。