欢迎您访问合肥高新集团门户网站!    今天是  
新闻搜索:
您所在的位置:首页 > 品牌建设 > 高新智库 > 风投视界

第二、三代半导体材料研究报告

发布时间:2018.01.04

(合肥高新建设投资集团公司投资管理部  陈婉琦、李双双)

一、半导体材料简介

半导体材料与半导体设备、洁净工程三者同属于半导体产业链的上游,半导体材料的质量和供应能力直接影响下游产业的质量和竞争力。半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料,是半导体工业的基础。随着新的半导体材料出现、电力电子技术进步与制作工艺的提高,半导体在过去经历了三代变化。

第一代:元素半导体,主要以硅、锗为代表。20世纪50年代,锗在半导体中占主导地位,应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。但锗的耐高温和抗辐射性能较差,且在地壳中分布散,获取成本高,到60年代后期逐渐被硅取代。硅半导体耐高温和抗腐蚀性能较好,且含量丰富,提纯结晶方便,绝缘性能好,器件的稳定性与可靠性大幅提高。因此到目前为止,硅仍是最主要的半导体材料,半导体中95%以上、集成电路中99%都是用硅材料制作。

第二代:化合物半导体,20世纪90年代,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料逐渐登上舞台,其中以砷化镓技术最为成熟,是继硅之后应用最广泛的半导体材料。砷化镓电子迁移率高,禁带更宽,电流传导更快,因此适用于制作微波功率半导体,能满足信息处理的高速化、高频化需求。另外砷化镓的光电转换效率高,可以制作成半导体激光器和红外光电器件。

第三代:宽禁带半导体材料,主要包括碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等,较为成熟的是碳化硅和氮化镓,其余材料研究尚属起步阶段。第三代半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电压等优点,成为制作大功率、高频、高温及抗辐射电子器件的理想材料。

半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性,称为半导体材料的特性参数。常用的半导体材料的特性参数有:

禁带宽度:决定发射光的波长,禁带宽度越大发射光波长越短;饱和速率:决定半导体高压条件下的高频工作性能;电子迁移速率:决定半导体低压条件下的高频工作性能;电阻率:反映材料的导电能力;位错密度:用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。不同的特性决定了半导体材料的用途。

 

表1  三代半导体材料比较(以Si、GaAs、GaN为例)

 

特性

Si

GaAs

GaN

物流性质

禁带宽度(ev)

1.1

1.4

3.4

饱和速率(×10-7cm/s)

1

2.1

2.7

热导(W/c·K)

1.3

0.6

2

击穿电压(M/cm)

0.3

0.4

5

电子迁移速率(cm2/V·s)

1350

8500

900

应用情况

光学应用

红外

蓝光/紫外

高频性能

高温性能

发展阶段

成熟

中级

初期

相对制造成本

 

第一、二、三代半导体材料的发展并不是互相取代,而是各有优势,各有应用领域。按照目前的发展趋势,硅材料在半导体领域,尤其是在集成电路的应用上,仍将持续数十年。但目前对硅材料的研究也在逐渐接近硅材料的极限,基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。第二、三代半导体具备优异的材料物理特性,为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

表2   砷化镓、氮化镓、碳化硅细分应用及说明


砷化镓

氮化镓

碳化硅

主要下游应用

民用射频器件

军用&高性能民用射频器件

高压功率器件

说明

广泛应用于商用无线通讯射频前端领域,尤其在射频功率放大器领域占据统治地位,市场规模远超氮化镓和碳

化硅半导体

适合作为更大功率基站、雷达系统使用的功率放大器件

高频、高压、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料,尤其在600V以上高压器件一般选用碳化硅半导体器件。


 

二、第二代半导体材料砷化镓

 

1、砷化镓简介

 

砷化镓主要用于微波功率器件,即工作在微波波段(频率300~300000兆赫之间)的半导体器件。由于硅在物理特性上的先天限制,很难适用于高频/高压/大电流芯片应用。然而近年来由于无线高频通讯产品迅速发展,使得具备高工作频率、电子迁移速率、抗天然辐射及耗电量小等特性的砷化镓脱颖而出,在微波通讯领域大规模应用。

射频前端是用以实现射频信号发射与接收功能的芯片组,与基带芯片协同工作,共同实现无线通讯功能。射频功率放大器(PA)是决定发射信号能力的射频功率放大器芯片,是无线通信设备射频前端最核心的组成部分。PA 芯片的性能直接决定了手机等无线终端的通讯距离、信号质量和待机时间。

PA主要有化合物工艺的砷化镓/氮化镓PA和硅工艺的CMOS PA。砷化镓 PA 芯片相对于硅工艺CMOS 芯片具备高频高效率等特点,其射频性能虽略逊于氮化镓射频器件,但成本和良率方面存在相对优势,完全可以满足民用需求,目前广泛应用于手机/WiFi 等消费品电子领域。因性能远超硅基CMOS PA器件,产品良率和制造成本优于氮化镓PA 器件,砷化镓PA 目前在消费电子市场约有90%的市占率,占据统治地位。

 

2、产业链情况

 

与硅材料大规模集成电路制造不同,砷化镓功率半导体多为分立器件,制造工艺相对简单,砷化镓半导体拥有自己独立的全套产业链。砷化镓半导体的制造流程与硅相似,从上游材料、IC设计、晶圆代工到封装测试,完成砷化镓半导体制造的全部产业链。

 

图1  砷化镓半导体产业链(图片来源:广发证券)

 

目前砷化镓半导体产业占据主体地位的多为国外集IC设计、晶圆代工、封装测试为一体的IDM厂商,且呈现寡头竞争格局。Skyworks、Qorvo、Avago作为业内三寡头,市场份额合计占80%以上。设计第四大厂Murata 于2012年3月收购Renesas旗下相关事业部,进军砷化镓PA市场,完成对射频行业全备产品线布局。

2015年全球砷化镓代工市场总量为6.5亿美元,专业代工厂主要以台企为主,代表企业为稳懋(Win)和宏捷科(AWSC),2015 年占化合物晶圆代工市场份额分别为58.2%、21.4%。稳懋、宏捷科主要客户分别为Avago、Skyworks。受益于PA 芯片业务市场需求的迅猛增长和产业模式转变,预计晶圆代工在整个市场中的占比将不断提高。

 

3、未来发展趋势

 

2014年,全球PA市场规模为73.9亿美元,由于砷化镓PA由于相对Si基CMOS PA性能优势明显,砷化镓 PA产值占据绝对市场份额,合计71.49亿美元,市场占比高达94%。同时,受益于移动终端升级、物联网产业的持续发展,PA市场总量预计2020年将增至114.16 亿美元,2014至2020年复合增长率为7.51%。

(1)核心驱动 通讯升级终端市场持续增长

据IDC数据,手持终端市场从2000年至2015年保持12%的复合增长率,2015年全球手持终端出货量为21.8亿部。据电子行业研究机构Navian 2015年统计,预计2018年全球手持终端出货量26.5亿部。手持终端出总量保持平稳增长将拉动对砷化镓PA芯片的需求,从而推动化合物半导体产业的持续稳定发展。

(2)辅助驱动 物联网军工高性能需求

从2016年开始,在无线局域网网关和物联网WiFi领域,支持双频(2GHz & 5GHz),MIMO(多进多出天线)和高发射功率性能需求的802.11ac标准的设备市占率大幅增加。根据Infonetics Research预测结果,2018年802.11ac标准WiFi市场占比将超过80%。预计在手机WiFi模块应用上也将出现同样的趋势。物联网对数据传输速率和多频运行环境支持将进一步拉动性能优势明显的砷化镓PA增量快速发展。

军工领域对于高端通讯产品的需求也将促进射频芯片市场更快增长。未来雷达和电子战系统需要大功率的无线信号发射系统,器件的可靠性要求也更为严苛,其功放芯片通常采用GaN或GaAs制造。根据Strategy Analytics的预测,2018年军用砷化镓器件市场规模将达5亿美元,年复合增长率达13%,其中最大的应用领域为雷达,约占60%。

 

三、第三代半导体材料

 

与Si称霸第一代半导体、GaAs统治第二代半导体不同,第三代半导体中SiC与GaN并存。除了SiC是间接带隙半导体材料没有光学性能,不能制造光电器件外,两者性能接近,SiC与GaN半导体应用领域有很多重合之处。

 

(一)SiC碳化硅

(1)简介

 

SiC 的禁带宽度为Si 的2-3倍,热导率约为Si的4.4倍,临界击穿电场约为Si的8倍,电子的饱和漂移速度为Si的2倍。SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料,可用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器及汽车马达等领域的极端环境中。相较于氮化镓,碳化硅在高压条件下的性能更优越,在600V以上的高压器件一般选用碳化硅半导体器件。

 

图2  碳化硅功率半导体的优势(图片来源:广发证券

 

目前SiC功率半导体仍处于发展初期,高质量、高可靠性、快速厚外延技术是限制SiC功率器件在高压领域发展和推广的瓶颈。较小的SiC单晶衬底尺寸和较高的缺陷密度是制约SiC功率器件向大容量方向发展的制约因素。SiC工艺技术未完全成熟是制约SiC功率器件发展和推广实现的技术瓶颈。高温封装技术发展滞后是制约SiC功率器件在高温领域推广的不利因素。

 

(2)现状及未来发展趋势

 

现全球有超过30家公司在功率半导体领域拥有对SiC相关产品的生产、设计、制造与销售能力,但市场上能够批量稳定提供SiC产品的不超过1/3。美国在SiC领域全球独大,拥有Cree、II--VI、道康宁等具有很强竞争力的企业,并且占有全球SiC市场70%-80%的产量。

国内目前在碳化硅功率半导体方面,尚处于起步阶段,目前可量产600V-2500V的SBD产品,部分开始形成销售。研制出3300V SBD、1200V-3300V的MOS原型器件,尚不具备产业化能力。此外,国内已开发出1700V/1200A的混合模块、4500V/50-100A等大容量的全SiC模块,以及10kV/200A的串联功率模块,正在进行测试和可靠性验证。

SiC器件正在渗透到以电动汽车、消费类电子、新能源、轨道交通等为代表的民用领域。2016年SiC功率半导体器件市场规模在2.1亿-2.4亿美元,据Yole最新报告数据显示,2021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元,2016-2021年的复合年增长率(CAGR)将达到19%。

 

(二)GaN氮化镓

(1)简介

氮化镓在半导体宽禁带宽度、高击穿电场、高电子饱和浓度、高迁移率、高浓度和抗辐照等方面相较于第一、二带半导体有更好的综合优势,可用于制造在光电子、高温大功率器件和高频微波器件等,在下一代有源电子扫描阵列雷达、新电子战系统武器装备等军用领域以及高带宽、高数据吞吐量等要求高性能的民用领域,具有重要的战略意义和广阔的发展前景。

到了2000年前后,硅制功率元件已经普及,之前利用蓝宝石基板的氮化镓类功率元件价格高,很难进入商业领域。美国和欧洲分别于2002年和2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划,并且在2007年首次在6寸硅衬底上长出了氮化镓,自此从应用角度开始了氮化镓功率半导体推进。2013年出现通过了JEDEC质量标准的硅基氮化镓功率器件,同年中国科技部推出了第三代半导体863计划。但制造成本依然很高,主要是应用于ICT设备、工业设备和汽车电子等领域的小型电源组件。

 

(2)现状及未来发展趋势

 

目前全球约有超过30家企业已经从事GaN的研发生产,其中10家左右已经实现了GaN的量产化和商业化。美国、欧洲、日本在氮化镓领域处于世界领先地位。美国的氮化镓材料主要应用于卫星、雷达、战斗机通信等国防领域,拥有Macom、Qorvo、Raytheon、Microsemi、Anadigics等全球领先企业。欧洲拥有IQE、Ampleon、UMS、NXP等知名企业, GaN应用于5G通信方面的研发成果较多,技术创新能力强。日本在GaN领域的研发和应用,多数以民用通信为主,军事通信探测为辅,主要目的是配合日本在功率半导体领域和光电子领域的技术和市场优势。

在国家多项科技和产业计划的大力支持下,我国在氮化镓等先进电子材料方面大幅缩小了与发达国家的差距。在氮化镓微波射频器件领域,国内中电科13所和中电科55所有多年军工元器件的技术积累,在满足军工需求的同时开始与国内通讯企业合作开发民用器件,且在4G移动通信频段部分性能指标已达到国际先进水平。华为海思半导体也在积极布局GaN射频器件。苏州能讯与中兴和华为合作开发射频器件,并初步形成销售。氮化镓功率半导体领域,国内已经在实验室实现了耐压超过900V的Si上GaN电力电子器件,但性能与国际先进水平有一定差距,暂未实现产业化。

2015年,受益于中国LTE(4G)网络的大规模应用,带来无线基础设施市场的大幅增长,有力地刺激了GaN微波射频产业。2015年末,整个GaN射频市场规模接近3亿美元。2017-2018年,在无线基础设施及国防应用市场需求增长的推动下,GaN市场会进一步放大,但增速会较2015年有所放缓。据Yole预测,2016-2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。2019-2020年,5G网络的实施将接棒推动GaN市场增长。未来10年,GaN市场将有望超过30亿美元。

就半导体功率器件而言,2016年全球GaN电力电子市场规模约在2000万-3000万美元之间,据Yole预测,GaN功率器件在未来五年(2016-2021年)复合年增率将达到86%,市场将在2021年达到3亿美元。但由于技术、成本等各方面的限制,SiC、GaN替代Si产品仍然为时甚早,目前碳化硅、氮化镓功率半导体占全球功率半导体市场的规模仅在2%左右。据Lux研究公司数据,预计至2024年,第三代半导体功率电子的渗透率将达到13%,而Si产品仍将占据剩下的87%的市场份额。


上一篇:半导体行业研究报告

下一篇:OLED行业研究报告

首页   |   加入收藏   |   问卷调查

© 2009 Copyright All rights reserved  

合肥高新建设投资集团公司  版权所有  

0551-65326529

  
皖ICP备17005441号-1  技术支持:明大网络