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中国第三代半导体真正要火起来并不容易面临四

时间:2020-10-31 01:53

  inD数据,26只第三代半导体概念股半个月的总市值就涨了100亿元以上,股价涨幅最高者超100%。

  从投资来看,进入2020年以来,已有8家半导体企业共计预投资大约430多亿,第三代半导体项目在国内已处于火热阶段。

  而真正的大火,来自于媒体消息,中国正在规划将大力支持发展第三代半导体产业写入“十四五”规划之中,计划在2021到2025年的五年之内,在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面,大力支持发展第三代半导体产业,以期实现产业独立自主,甚至弯道超车。

  政策,是最大的商机。在政策的支持下,第三代半导体真的会持续会火起来吗?不过,从产业的角度来看,中国第三代半导体真正要火起来并不容易,面临四大问题。

  早在1987年,科锐公司(Cree)成立,专门从事SiC半导体的研究。最初,针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。随后,美国国防部和能源部先后启动了“宽禁带半导体技术计划”和“氮化物电子下一代技术计划”,积极推动SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)宽禁带半导体技术的发展。紧跟美国之后,欧洲和日本也相继开展了相关研究,经过多年发展,在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果,实现了在军事国防领域的广泛应用。

  随着在军事领域的应用逐步成熟,第三代半导体应用开始逐步拓展到民用领域,近年来,大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及,所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件,宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体,从而可有效减小电子跨越的鸿沟,减少能源损耗。但真正让第三代半导体应用得到极大关注的还是特斯拉采用碳化硅功率器件,把这个产业向前快速推进。

  明星企业的影响力是市场最大的推手,正如小米科技雷军发布GaN手机充电器,在国内把GaN推向了高潮。

  第三代半导体的生产步骤包括单晶生长、外延层生长以及器件/芯片制造,分别对应衬底、外延和器件/芯片。总体来说,第三代半导体产业目前主要处于国外企业垄断的局面。

  1.碳化硅:目前国际企业正在从 4 英寸衬底向 6 英寸过渡,在研的有 8 英寸硅基衬底,而国内仍然以 4 英寸为主。国外核心企业有美国Cree、 DowCorning、德国 SiCrystal、美国 II-VI、日本昭和电工等,他们占据主要产能。Cree占据40%市场,其次是美国 II-VI,日本昭和电工,三者合计占据75%以上的市场。国内则以天科合达、山东天岳、同光晶体等公司为主,他们主要供应 3 ~ 4 英寸的单晶衬底。

  2.氮化镓:全球目前商用化合物晶圆尺寸最大为6英寸,比如台湾稳懋等国际主流厂家都采用6吋工艺,其中GaAs衬底主流尺寸为6英寸,8英寸在开发中;GaN衬底以4/6英寸为主。这个市场的主导者是日本住友电工,市场占有率约90%。国内厂家主要是2~4英寸。

  1.碳化硅:外延片企业主要以美国的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的罗姆、三菱电机,德国的Infineon 等为主。美国公司就占据全球70~80%的份额。国内瀚天天成、东莞天域已能提供4英寸的碳化硅外延片。

  2.氮化镓:外延片目前主要是日本的NTT-AT、法国Soitec Belgium(前比利时 EpiGaN) 、英国的IQE 、台湾嘉晶电子等在供应。2012年3月成立的苏州晶湛半导体,国内最早最大的氮化镓外延片提供商,但市占率依旧很低。

  1.碳化硅:国际上600~1700V SiC SBD、MOSFET已经实现产业化,主流产品耐压水平在1200V以下,主流企业为Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等。国内则主要有泰科天润、深圳基本半导体、中电科55所、上海瞻芯电子等,相比国外还属于起步阶段。

  2.氮化镓:分为射频器件和电力电子器件。设计公司主要有美国的EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德国的Dialog等公司,国内有被中资收购的安谱隆(Ampleon)等。IDM企业则包括住友电工和Cree,他们的市场占有率均超过30%,其他还有Qorvo和 MACOM。国内IDM企业苏州能讯、英诺赛科、江苏能华等加起来市场占有率不超过5%。

  晶圆代工的企业有美国环宇通讯半导体(GCS)、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司(UMS)等为主导,中国大陆的三安集成和海威华芯也已经批量出货。

  我国第三代半导体起步晚,2013年的“863计划”第一次明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。与国外相比,国内第三代半导体技术差距明显,稳定性和可靠性是短板。

  很多文章介绍第三代半导体氮化镓和碳化硅,都是从第一代硅,第二代砷化镓开始介绍。给人的感觉,一代总比一代强。

  全球半导体年产值近5000亿美金,90%以上来自第一代半导体。根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至8.54亿美元。未来十年的年均两位数增长率,到2029年将超过50亿美元。根据Yole预测,到2024年SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元,其中,汽车市场占SiC功率半导体市场比重到2024年预计将达50%。

  从上面的数据可以看出,在第一代半导体面前,第三代半导体的产值非常的小。国外发展第三代半导体不是因为生意有多么的大,是因为国防和科技信息技术的发展需要用到第三代半导体。同时,这是一个增量市场,也是企业可以寻求的增长空间。

  从增量来源来看,5G、光伏智能电网、新能源汽车等是主要的增量来源。根据第3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、以及其他领域,每个领域产业成熟度各不相同。

  在4个应用领域中,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的成熟产业规模。蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高,但由于散热较好,非常适合制造低能耗、大功率照明器件。

  在电力电子领域,目前市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域,正逐步向民用领域拓展。微波器件方面,GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。

  GaN激光器可以覆盖到很宽的频谱范围,实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘,其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外,紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用,总计市场容量为10亿美元。

  第三代半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介、及其他一些新兴应用。

  在国内,得到高度关注的第三代半导体应用有:氮化镓充电器电源IC、氮化镓基站PA、氮化镓5G手机PA、氮化镓IGBT、碳化硅SBD、碳化硅MOSFET。

  从增量市场来看,5G、光伏智能电网、新能源汽车这些主要市场对半导体技术要求很高,属于前沿技术。中国第三代半导体从材料,到设计,再到晶圆制造都是起步阶段。除了国内个别企业有成熟的第三代半导体设计能力,产品可以批量出货,其他还是小批量阶段。国内第三代半导体要主导5G、光伏智能电网、新能源汽车这三大领域,还需要很长时间去沉淀和成长。如果一定要加个具体时间,那也是5年以后的事情。

  前沿新市场的需求并不大,几十亿美金的市场相对于整个全球半导体来讲还不到百分之一。国内企业把机会瞄准传统消费类电子应用,比如:充电器电源芯片、肖特基二极管、MOSFET。也有国内企业投入研发5G基站GaN PA,这是一块20亿美金的潜力市场。接下来分析第三代半导体的成本瓶颈。

  1.在长晶的源头晶种纯度要求相当高2.长晶的时间相当长,碳化硅晶棒约需要7天。一般硅材料长晶平均约3-4天即可长成一根晶棒。3.长一根碳化硅的长晶棒只能长出2公分,量产的成本高很多。而一般的硅晶棒约有200公分的长度。

  据说,第三代半导体材料,这样一片厚度只有0.5毫米的“碳化硅”6英寸晶片,市场售价高达2000美金。而12吋硅晶圆的平均单价在108~112美元价位,再加上制造成本和良率,第三代半导体比第一代半导体硅晶成本要贵很多倍。

  氮化镓也是如此,氮化镓在传统消费电子领域要取代砷化镓和硅晶,成本是最大的挑战。

  新兴市场,半导体不看价格,但没有量,技术要求高。工业电子市场,尤其是汽车电子市场,半导体单价高,需求量不大,但对技术和品质的要求很高,国内的半导体企业在时间上和技术难度上能不能扛得住是个很大的问题,短平快的投资环境,不会给企业那么多时间,没有时间,技术如何积累?其实,最适合国内半导体企业的是传统消费类电子行业。

  充电器电源芯片、肖特基二极管、MOSFET才是国内第三代半导体企业最适合的领域。要用第三代半导体来研发生产这些产品,从而取代硅基,成本是最大瓶颈。

  第三代半导体最大的瓶颈是成本,中国半导体最大的瓶颈是人才。钱能解决很多问题,但不能解决眼下半导体产业人才短缺的问题,中国第三代半导体产业人才短缺更为明显。

  在中国的大地上,芯片依旧很火,各行各业都来做芯片。抢人,成为时下最大的风景。《中芯国际为什么留不住人才》一度成为热搜,甚至把所有的责备指向中芯国际。全国各地大建晶圆厂,产业人才哪里找?当然是龙头企业中芯国际。不是薪水低留不住人才,而是无论你薪水多高,人家都会更高薪水挖你人才。因为钱不是自己挣出来的,是投资者和政策支持的。

  中国大陆企业做第三代半导体也就几年时间,最初的人才来自海外。产业的发展需要大量人才,前期的人才培养远远跟不上产业的发展和扩张。从衬底材料到外延,再到晶圆制造,哪个环节都缺少人才。氮化镓和碳化硅工艺的半导体设计公司也是最近几年才开始,之前也没有这方面的设计研发人才。第三代半导体也是化合物半导体,不能完全依靠EDA软件,很大程度取决于经验和对工艺的熟悉及理解。化合物半导体产业人才的培养时间比第一代半导体人才的培养时间更长,没有个3-5年根本就成长不起来。

  一家半导体工厂的负责人跟笔者讲,当地产业基金鼓励企业做第三代半导体,在资金和政策上给予支持,最大的问题是不知道从哪里找人,找一个人没用,得找一个团队。就算找到了,可能也只有一点点经验,需要边做边学,要花很长的时间去积累。这一点,很有感触。例如,三伍微基于第二代半导体砷化镓工艺做射频前端芯片设计,同属于化合物半导体。有一次,我问公司一个做了5年基于砷化镓工艺设计WIFI FEM的研发,“公司怎么帮助你,才能成为国内WIFI FEM领域最顶级的人才?” 他延迟了几秒钟回答我:时间。

  在设计的过程中,研发会摸索出了一些经验和思路,但需要时间去试验和总结。化合物半导体对经验很依赖,技术的解决和突破必须基于两点:时间累积和Know-how。

  厂房可以一两年建好,机器设备可以一两年引进安装好,但产业人才不是一两年可以培养起来的。没有产业人才,短期内第三代半导体在国内遍地开花火起来是不可能的。

  正如爱默生所说:“对于一心向着目标前进的人,全世界都会为他让路”。但前提是,对产业的理解必须正确。在文章的结尾,引用下面网上的一个观点做个讨论。

  第一,第三代半导体相比较第一代第二代半导体处于发展初期,国内和国际巨头基本处于同一起跑线。----以为是同一起跑线年。(笔者观点)

  第二,中国有第三代半导体的应用市场,可以根据市场定义产品,而不是像之前跟着国际巨头做国产化替代。----产品仍是国外先做出来,先在市场推广,国内企业跟在后面做国产化替代。(笔者观点)

  第三,第三代半导体难点不在设备、不在逻辑电路设计,而在于工艺,工艺开发具有偶然性,相比较逻辑芯片难度降低。----难度并没有降低,成熟稳定的第三代半导体工艺开发比第一代硅更难了。(笔者观点)

  第四,对设备要求相对较低,投资额小,国内可以有很多玩家。在资本的推动下,可以全国遍地开花,最终走出来几家第三代半导体公司的概率很大。----没有产业人才,如何遍地开花?(笔者观点)

  因为相信,才能看见。相信中国大陆一定能把第三代半导体做起来,即使如此,也只是解决了小部分问题,绝大部分问题仍然是第一代半导体决定的。

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  78A是一款4位可配置双电源双向自动感应转换器,不需要方向控制引脚。 V CC I / O和V L I / O端口设计用于跟踪两个不同的电源轨,V CC 和V L 。 V CC 电源轨可配置为1.65V至5.5V,而V L 电源轨可配置为1.65V至5.5V。这允许V L 侧的电压逻辑信号在V CC 侧转换为更低,更高或相等值的电压逻辑信号,反之亦然。 NLSX4378A转换器在I / O线K欧姆上拉电阻。集成的上拉电阻用于将I / O线上拉至V L 或V CC 。 NLSX4378非常适合开漏应用,例如I 2 C通信总线。 特性 优势 宽VCC工作范围:1.65V至5.5V 宽VL工作范围:1.65V至5.5V 允许连接多个电压系统 高速,24 Mb / s保证数据速率 最大限度地减少系统延迟 低位偏移 适合差异信号传输 小型包装 - 2.02 x 1.54mm uBump12 节省物理空间解决方案 应用 终端产 I2C,SMBus,PMBus 低压ASIC级别转换 手机,PDA,相机 电路图、引脚图和封装图...

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  120H2Q0SG是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个40A / 1200V IGBT,两个15A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 2.2 V,ESW = 2180 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.4 V 用于高速切换的SiC二极管 可焊接引脚 轻松安装 双升压40 A / 1200 V IGBT + SiC整流器混合模块 热敏电阻 应用 终端产品 太阳能逆变器升压阶段 太阳能逆变器 UPS 电路图、引脚图和封装图...

  NXH100B120H3Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 50 A IGBT + 1200 V 20 A SiC二极管

  B120H3Q0是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个50A / 1200V IGBT,两个20A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 1.77 V,ESW = 2200 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.44 V 用于高速开关的SiC二极管 焊针和压合销选项 灵活安装 应用 终端产品 MPPT提升阶段 Bat tery Charger Boost Stage 太阳能逆变器 储能系统 电路图、引脚图和封装图...

  一种快速,可靠的的安装方式。 特性 高效率 低传导损耗和开关损耗 高速场截止IGBT SiC SBD用作升压二极管 内置NTC可实现温度监控 电路图、引脚图和封装图

  NCP566 LDO稳压器 1.5 A 超高PSRR 具有快速瞬态响应

  低压差(LDO)线性稳压器将在固定输出电压下提供1.5 A电流。快速环路响应和低压差使该稳压器非常适用于低电压和良好负载瞬态响应非常重要的应用。器件保护包括电流限制,短路保护和热关断。 NCP566采用SOT-223封装。 特性 超快速瞬态响应(

  NCP3284 4.5V至18V 30A高效率 DC / DC转换器 采用耐热增强型5mm x 6mm封装

  4是一款30A POL,适用于在小型电路板占板面积内要求高效率的应用。该器件将DC / DC控制器与两个高效mosfet集成在一个采用热增强型5mm x 6mm QFN封装的信号中。它采用获得专利的增强型斜坡脉冲调制控制架构,可提供超快的负载瞬变,从而减少外部电容和/或提供更好的瞬态容差。与传统的恒定时间控制器相比,新架构还改进了负载调节。 特性 优势 效率高 减少电力损失 快速装载瞬态 减少输出电容的数量 频率选择 优化效率和输出滤波器尺寸的权衡 0.6%准确参考 允许非常精确的输出电压 远程感知 提供准确的输出电压 启用输入和电力良好指标 二手用于控制排序 可调节电流限制 低电流设计的灵活性 可调节软启动 允许控制开启坡道 热增强型QFN封装 改善散热 指定-40C至125C 应用 终端产品 服务器 网络 电信 ASICs servere 存储 网络 电路图、引脚图和封装图...

  3是一款20A降压转换器(内置MOSFET),工作电压范围为3V至21V,无需外部偏置。该固定式变频器具有高效率,可调节输出以提供低至0.6V的电压。可调电流限制允许器件用于多个电流水平。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,高效电压模式同步降压转换器,工作电压为3 V至21 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围为3V至21V 允许同一器件用于3.3V,5V和12V母线MHz开关频率 用户可选择的选项,允许在效率和解决方案尺寸之间进行优化权衡 无损耗低侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 低压输出以适应低压核心 外部可编程软启动 降低浪涌电流并防止启动时出现无根据的过电流 预偏置启动 防止反向电流流动 所有故障的打嗝模式操作 如果故障情况消除,则允许重新启动 可调输出电压 灵活性 可调节电流限制 优化过流条件。允许较低饱和电流的较小电感器用于较低电流应用 输出过压保护和欠压电压保护 应用 终端产品 高电流POL应用 AS...

  1A是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出o电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...

  1B是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 1MHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出ove r电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...

  1是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低 - 侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出过压保护和欠压保护 使用热敏电阻或传感器进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电力良好输出 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...

  2是一款低输入电压,6 A同步降压转换器,集成了30mΩ高侧和低侧MOSFET。 NCP1592专为空间敏感和高效应用而设计。主要特性包括:高性能电压误差放大器,欠压锁定电路,防止启动直到输入电压达到3 V,内部或外部可编程软启动电路,以限制浪涌电流,以及电源良好的输出监控信号。 NCP1592采用耐热增强型28引脚TSSOP封装。 特性 30mΩ,12 A峰值MOSFET开关,可在6 A连续输出源或接收器处实现高效率电流 可调节输出电压低至0.891 V,准确度为1.0% 宽PWM频率:固定350 kHz,550 kHz或可调280 kHz至700 kHz 应用 终端产品 低压,高密度分布式电源系统 FPGA 微处理器 ASICs 便携式计算机/笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...

  NCP3230 DC / DC转换器 4.5 V至18 V 30 A.

  C转换器采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,可提供高达30 A的电流。 特性 优势 效率高 降低功耗并减少散热问题 4.5 V至18 V输入范围 允许使用5 V或12 V母线进行操作 综合mosfets 简化设计并提高可靠性 可调节软启动时序,输出电压 设计灵活性 过压,欠压和过流保护 安全启动到预偏置输出 应用 终端产品 高电流POL应用 为asics,fpga和DSP供电 基站 服务器和存储 网络 电路图、引脚图和封装图...

  NCP3235 4.5 V至21 V 集成MOSFET的DC / DC转换器

  5是一款带内部MOSFET的15 A DC / DC转换器,设计灵活。该器件可提供低至0.6V至输入电压80%以上的可调输出电压。功能包括可调电流限制,输出电压和软启动时序。引脚可选功能可实现550 kHz或1 MHz的开关频率,选择DCM / CCM工作模式,以及在过流期间锁定或打嗝模式的能力。该器件可配置为在超声模式下工作,以避开音频带。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm TQFN封装。 特性 优势 准确0.6 V参考 可调输出以设置所需电压低至0.6 V DCM / CCM可选择选项 在不连续模式下操作以在轻负载下提高效率 550kHz / 1.1MHz开关频率 选择更高效率或更小输出滤波器的设计灵活性 超声波模式 保持电容器不发出声音 热增强型QFN封装 3个裸露焊盘散布更高 4.5 V至21 V的宽工作范围 允许跨多个应用程序使用 可调软启动 允许在通电期间平稳上升 应用 终端产品 计算/服务器 数据通信/网络 FGPA,ASIC,DSP电源 12 V负载点 桌面 服务器 网络 电路图、引脚图和封装图...