近期，阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布2021年十大科技趨勢(shì)，“第三代半導(dǎo)體迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)”位列第一。達(dá)摩院指出，第三代半導(dǎo)體的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)并正在打開應(yīng)用市場(chǎng)。未來(lái)5年，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景。

“性價(jià)比優(yōu)勢(shì)”是形成市場(chǎng)穿透力的敲門磚。長(zhǎng)期以來(lái)，第三代半導(dǎo)體受限于襯底成本過(guò)高、制備困難、應(yīng)用范圍小等因素，成本居高不下，限制了市場(chǎng)接受度的提升。隨著應(yīng)用空間逐漸拓展，制備技術(shù)日益成熟，第三代半導(dǎo)體逐漸從產(chǎn)品導(dǎo)入期走向市場(chǎng)拓展期。但也需看到，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)多處于研發(fā)或小批量供貨階段，要實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體的規(guī)模化商用，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的共同作為。

性價(jià)比優(yōu)勢(shì)日益凸顯

半導(dǎo)體領(lǐng)域素有“一代材料、 一代技術(shù)、 一代產(chǎn)業(yè)”的說(shuō)法。作為產(chǎn)業(yè)鏈最上游的核心部分，材料的影響力貫穿半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)始終，不僅用于制造和封測(cè)工藝，也直接影響芯片的供貨效率和性能質(zhì)量。

“小巧、高效、發(fā)熱低”——小米董事長(zhǎng)雷軍對(duì)氮化鎵充電器的評(píng)價(jià)，道出了第三代半導(dǎo)體的性能優(yōu)勢(shì)。相比硅材料，第三代半導(dǎo)體擁有耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等先天優(yōu)勢(shì)，相比硅器件可降低50%以上的能量損失，并減小75%以上的裝備體積。

不過(guò)，第三代半導(dǎo)體雖然優(yōu)勢(shì)顯著，卻尚未進(jìn)入大規(guī)模化商用階段。由于制備工藝成熟、自然界儲(chǔ)備量大且應(yīng)用廣泛，硅器件形成了難以逾越的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。相比之下，第三代半導(dǎo)體的單晶及外延材料價(jià)格昂貴，制備工藝難度較大且襯底成本高。相比傳統(tǒng)6英寸硅襯底，碳化硅襯底的價(jià)格高出數(shù)十倍之多。

既然價(jià)格上缺乏優(yōu)勢(shì)，第三代半導(dǎo)體的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在哪些維度？

“第三代半導(dǎo)體器件的性價(jià)比主要體現(xiàn)在綜合開銷上。” 阿里達(dá)摩院十大科技趨勢(shì)項(xiàng)目組專家告訴記者。

據(jù)該專家介紹，得益于第三代半導(dǎo)體電力電子器件的高頻特性，圍繞器件布局的無(wú)源元件可減小和減少，從而減少物質(zhì)開銷;其次，器件高壓特性可以使部分多級(jí)降壓或升壓模式改變?yōu)閱渭?jí)模式，有效減少元器件數(shù)量;此外，器件耐高溫特性可以使模組或系統(tǒng)散熱成本有效降低，目前正在快充、逆變器等應(yīng)用中逐步體現(xiàn)。

碳化硅供應(yīng)商基本半導(dǎo)體向記者提供的資料顯示，在新能源汽車使用碳化硅MOSFET 90-350kW逆變器時(shí)，可減少6%~10%的電池使用，并節(jié)省空間占用及冷卻系統(tǒng)需求。雖然碳化硅器件的成本增加值在75~150美元，卻節(jié)約了525~850美元的綜合開銷。

這種系統(tǒng)性成本優(yōu)勢(shì)，可謂第三代半導(dǎo)體的“殺手锏”。

同樣值得注意的是，雖然硅器件成本優(yōu)勢(shì)顯著，但價(jià)格下降空間已所剩無(wú)幾。相較之下，第三代半導(dǎo)體尚有充足的降價(jià)空間。

CASA Research數(shù)據(jù)顯示，耐壓600V-650V碳化硅SBD在2019年的均價(jià)是1.82元/A，較2017年年底下降了55.6%，與硅器件價(jià)格差距縮小到2.4倍左右。1200V碳化硅SBD雖然與硅器件的價(jià)格差距在5倍左右，但均價(jià)較2017年下降了37.6%。

這種降價(jià)幅度，在硅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)難以想象。隨著5G、新能源汽車等下游市場(chǎng)對(duì)第三代半導(dǎo)體的需求上揚(yáng)，以及制備技術(shù)特別是大尺寸材料生長(zhǎng)技術(shù)不斷突破，第三代半導(dǎo)體的性能日益穩(wěn)定且價(jià)格持續(xù)下探，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)將持續(xù)凸顯。

規(guī)模商用尚需時(shí)日

市場(chǎng)邊界的拓展，讓第三代半導(dǎo)體從半導(dǎo)體照明等小批量應(yīng)用，走向了更加廣闊的市場(chǎng)空間。但也需看到，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)多數(shù)處于研發(fā)、項(xiàng)目建設(shè)或小批量供貨階段，對(duì)企業(yè)營(yíng)收的貢獻(xiàn)比例較低，第三代半導(dǎo)體的大規(guī)模商用尚需時(shí)日。

達(dá)摩院十大科技趨勢(shì)項(xiàng)目組專家向記者表示，第三代半導(dǎo)體要走向規(guī)模化、商用化，至少要滿足五個(gè)條件：一是細(xì)分領(lǐng)域的代際優(yōu)勢(shì)獲得市場(chǎng)進(jìn)一步驗(yàn)證;二是元器件可靠性可滿足整機(jī)廠商對(duì)消費(fèi)端、工業(yè)端等的差異化需求;三是應(yīng)用端利潤(rùn)能基本覆蓋材料到制程的投入;四是面向第三代半導(dǎo)體器件與電路的專業(yè)工程師群體的成長(zhǎng);五是代工體系能有效支撐通用芯片的穩(wěn)定供貨。

“產(chǎn)業(yè)鏈必須在第三代半導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域和細(xì)分環(huán)節(jié)做縱深整合和迭代嘗試，突出應(yīng)用需求牽引，才能使產(chǎn)業(yè)鏈具備內(nèi)生動(dòng)力。同時(shí)，要發(fā)揮政策及龍頭企業(yè)的帶動(dòng)優(yōu)勢(shì)和區(qū)域優(yōu)勢(shì)，通過(guò)垂直整合和兼并重組，做強(qiáng)優(yōu)勢(shì)方向，重視材料與制程的協(xié)同突破，加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)。”該專家指出。

賽迪顧問新材料產(chǎn)業(yè)研究中心副總經(jīng)理?xiàng)钊鹆找蚕蛴浾弑磉_(dá)了類似的觀點(diǎn)，第三代半導(dǎo)體的規(guī)模化商用，要以應(yīng)用為牽引，關(guān)注5G、新能源汽車充電樁、特高壓及軌道交通四大“新基建”領(lǐng)域的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，以核心技術(shù)突破及量產(chǎn)技術(shù)落地加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。

“對(duì)于企業(yè)而言，首先要通過(guò)擴(kuò)大產(chǎn)能，降低固定成本，推動(dòng)晶圓成本降低;同時(shí)，基于大尺寸材料生長(zhǎng)技術(shù)等更加成熟的制備技術(shù)，通過(guò)更大尺寸的襯底降低器件的加工難度和生產(chǎn)成本。此外，可與大客戶簽訂長(zhǎng)期合作合同，提升供應(yīng)穩(wěn)定性。” 楊瑞琳說(shuō)。

從市場(chǎng)穿透力來(lái)看，在高溫、強(qiáng)輻射、大功率等特殊場(chǎng)景，第三代半導(dǎo)體差異化優(yōu)勢(shì)顯著。但在功率器件等被視為第三代半導(dǎo)體適用性最強(qiáng)的市場(chǎng)，硅材料仍占據(jù)主導(dǎo)地位。綜合中國(guó)電子標(biāo)準(zhǔn)化研究院和Yole數(shù)據(jù)，2019年碳化硅、氮化鎵電力電子器件市場(chǎng)滲透率約為2.5%，尚處于產(chǎn)品導(dǎo)入階段。

“由于襯底成本過(guò)高，制程條件相對(duì)困難，第三代半導(dǎo)體市占表現(xiàn)長(zhǎng)期受限，預(yù)計(jì)10年后市占仍將低于整體半導(dǎo)體市場(chǎng)的一成以下。”TrendForce集邦咨詢分析師王尊民向記者表示。

即便性價(jià)比優(yōu)勢(shì)在電動(dòng)車、無(wú)線充電器、能源轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)業(yè)逐漸凸顯，讓下游客戶從已經(jīng)成熟的硅產(chǎn)品線切換到第三代半導(dǎo)體，絕非一蹴而就。需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)在成本控制、產(chǎn)品指標(biāo)、市場(chǎng)選擇上，做出更加合理的部署，做好持久戰(zhàn)的準(zhǔn)備。

“第三代半導(dǎo)體要走向規(guī)模及商用化，現(xiàn)階段主要考量如何有效降低襯底價(jià)格及提高尺寸大小，后續(xù)再配合不同材料的制程條件開發(fā)（如硅器件開發(fā)流程一般），持續(xù)滲透功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，相信企業(yè)發(fā)展將逐漸步上正軌。” 王尊民表示，“第三代半導(dǎo)體尚處于產(chǎn)品銷售的成長(zhǎng)階段，多數(shù)從業(yè)者將發(fā)布差異化的產(chǎn)品并鎖定特定市場(chǎng)，找尋合適的應(yīng)用場(chǎng)景。預(yù)計(jì)2021年，第三代半導(dǎo)體將維持百花齊放之勢(shì)，廠商將持續(xù)推出產(chǎn)品并挑戰(zhàn)不同的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，提升企業(yè)知名度，開拓未來(lái)發(fā)展空間。”
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