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半导体

“碳中和”,第三代半导体未来可期

为应对气候变化,我国提出,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”。 可提升能源转换效率的第三代半导体产业正在开启发展加速度,有望成为绿色经济的中流砥柱。目前,第三代半导体的触角已延伸至数据中心、新能源汽车等多个关键领域,整个行业渐入佳境,未来可期。

第三代半导体可提升能源转换效率

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以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体具备耐高温、耐高压、高频率、大功率等优势,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,是助力社会节能减排并实现“碳中和”目标的重要发展方向。“碳中和”趋势浪潮下,可提升能源转换效率的第三代半导体产业正在开启发展加速度,有望成为绿色经济的中流砥柱。

在第三代半导体产业景气上升之际,很多企业都对此领域青睐有加,展开资本布局。近期,闻泰科技全资子公司、全球功率半导体领先企业——安世半导体宣布与国内汽车行业龙头公司联合汽车电子有限公司(简称UAES)达成合作。双方将在功率半导体氮化镓(GaN)领域展开深度合作,满足未来新能源汽车电源系统对技术不断提升的需求,并共同推动GaN工艺技术在国内汽车市场的研发和应用。

安世半导体相关人员对第三代半导体在新能源汽车领域的应用前景表示看好:“新能源汽车电源系统有望在未来主导半导体器件持续增长的市场需求,硅基氮化镓场效应晶体管的功率密度和效率将在汽车电气化应用中发挥关键作用。”

也是在最近,隶属于博世集团的罗伯特·博世创业投资公司(RBVC)已完成对基本半导体的投资。资料显示,基本半导体是中国领先的碳化硅功率器件提供商之一。博世集团几日前在德累斯顿建设车用半导体芯片厂来生产车用传感器芯片,此次对基本半导体的投资也预示其有意在第三代半导体领域进一步涉足。

除资本加持外,在第三代半导体的研发和生产方面,国内企业也进展频频:三安光电位于湖南的首个第三代半导体芯片厂房已顺利封顶,预计今年6月试投产;露笑科技已于近期实现6英寸碳化硅衬底片试生产,另公司自主研发的碳化硅长晶炉已实现销售,下游客户已陆续投产;海特高新硅基氮化镓产品已实现规模出货,公司的客户主要为芯片设计公司和模组公司。

值得一提的是,三安光电此前早已推出了6英寸SiC晶圆代工制程,2020年初,该公司的氮化稼产能已达2000片/月,2020年年底已完成碳化硅MOSFET器件量产平台的打造。

政策方面,上海临港新片区近日发布了集成电路产业专项规划(2021-2025)。规划中提出,推进6英寸、8英寸GaAs、GaN和SiC工艺线建设,面向5G、新能源汽车等应用场景,加快化合物半导体产品验证应用。

应用场景触及“碳中和”关键领域

近年来,第三代半导体成为行业新风口。受疫情后期汽车、工业和移动通信等行业市场需求反弹因素推动,再加上“碳中和”概念倡导及相关政策支持,2021年,第三代半导体的成长动能有望持续上升。根据TrendForce集邦咨询方面最新预测,2021年,GaN功率器件的成长力道最为明显,预估其今年市场规模将达6,100万美元,年增长率高达90.6%。

在市场规模日渐扩大的情况下,第三代半导体的应用场景正在不断拓展,目前已经从半导体照明等小批量应用走向了包括数据中心、新能源汽车等更广阔的市场。

第三代半导体产业技术创新战略联盟秘书长于坤山肯定了新兴市场对第三代半导体产业发展提供的助力。他表示,以5G、新能源汽车、能源互联网、消费类电子、新一代显示、紫外等应用市场启动为契机,已经完成第三代半导体布局并实现产业化的企业和地区将首先收获成果。

应用于数据中心领域的第三代半导体可以大幅减少电能的消耗。公开资料显示,一个大型数据中心机房一年的耗电量相当于一个中等城市的用电量。在耗电量如此巨大的情况下,如果使用第三代半导体芯片来控制电源,相比于硅芯片可以省下大量电力。开源证券研究所副所长兼电子首席研究员刘翔告诉《中国电子报》记者,随着“碳中和”进程加快,化石能源将逐步被其他电力能源取代。无论是电力的传输还是控制,都需要第三代半导体来实现。“第三代半导体的效率更高,能工作的电压范围更大,所以用量肯定是非常大的。”他说。

以第三代半导体的典型应用场景——新能源汽车为例,根据福特汽车公开的信息,相比于传统硅芯片(如IGBT)驱动的新能源汽车,由第三代半导体材料制成芯片驱动的新能源汽车,可以将能量损耗降低5倍左右。 

作为第三代半导体的代表,碳化硅技术的应用与整车续航里程的提升也有着紧密的联系,第三代半导体材料在提高能效、电源系统小型化、提高耐压等方面的性能已经达到了硅器件无法企及的高度。小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏表示,相比硅基功率半导体,第三代半导体碳化硅MOSFET具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。采用碳化硅技术后,电机逆变器效率能够提升约4%,整车续航里程将增加约7%。

目前第三代半导体的触角延伸到了5G、新能源汽车等多个关键市场,刘翔认为,碳化硅的原材料——长晶的培育有望成为国内第三代半导体市场的突破口。

长晶的生产难度较大,长晶的源头——晶种很难获取,而且要求极高的纯度。另外,长晶生产过程中对温度和制程的要求很高,生产时间也比较长。碳化硅长一根晶棒需耗时2 周,但成果可能仅3公分,量产难度很大。基于此,刘翔认为,我国有必要提升对长晶培育环节的重视程度。

除长晶培育外,如何打破国外企业对碳化硅市场的垄断也是亟待解决的问题之一。安芯基金首席战略官周贞宏表示,现阶段,高速发展的碳化硅材料市场被国际巨头垄断,国产碳化硅基材仅占全球市场的2.2%。全国政协委员王文银也指出,目前国内第三代半导体行业内的高端产品多为进口,先进入市场的全球巨头已经建立了自身的朋友圈与护城河。

针对如何打破国外企业对碳化硅市场的垄断,西安电子科技大学教授张玉明向《中国电子报》记者表示,我国还需提高碳化硅晶圆的尺寸和质量,制造工艺栅界面调控技术还需加强,成品率也需进一步提升。

责任编辑:张依依


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