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站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

发布时间:2020-05-13 21:24 所属栏目:17 来源:站长网
导读:副标题#e# 本文为祥峰投资对第三代半导体产业研究内容,其中包含了各材料性能对比与材料应用范围,方便从底层了解半导体产业发展,系列文章较长,建议收藏阅读。本文为上篇,下篇请点击:第三代半导体产业(下) 4月20日,国家发改委首次官宣“新基建”的范

本文为祥峰投资对第三代半导体产业研究内容,其中包含了各材料性能对比与材料应用范围,方便从底层了解半导体产业发展,系列文章较长,建议收藏阅读。本文为上篇,下篇请点击:第三代半导体产业(下)

4月20日,国家发改委首次官宣“新基建”的范围,正式定调了5G基建、人工智能、工业互联网等七大领域的发展方向。在建设需求的驱动下,一大批科技创新企业也将迎来发展的窗口期。

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

“新基建”作为新兴产业,一端连接着不断升级的消费市场,另一端连接着飞速发展的科技创新。值得注意的是,无论是5G、新能源汽车还是工业互联网等,“新基建”各个产业的建设都与半导体技术的发展息息相关。例如:

以氮化镓(GaN) 为核心的射频半导体,支撑着5G基站及工业互联网系统的建设;

以碳化硅(SiC) 以及IGBT为核心的功率半导体,支撑着新能源汽车、充电桩、基站/数据中心电源、特高压以及轨道交通系统的建设;

以AI芯片为核心的SOC芯片,支撑着数据中心、人工智能系统的建设。

不难看出,氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) 为首的第三代半导体是支持“新基建”的核心材料。在“新基建”与国产替代的加持下,国内半导体厂商将迎来巨大的发展机遇。

祥峰投资中国基金自成立以来,密切关注半导体行业的发展,早在2013年就投资了半导体显示芯片供应商——云英谷科技,而后接连投资了地平线、慧智微电子、芯驰科技、移芯科技、BlueX、Lightelligence等一批高成长性的半导体芯片企业。

作为中国半导体行业的观察者,祥峰投资本次带来一份《第三代半导体产业研究报告》,将探讨以下问题,分为上、下两期具体展开:

上:

第三代半导体相较第一代、第二代有哪些进步?

为何氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)在第三代半导体中备受追捧?

氮化镓(GaN) 和碳化硅 (SiC) 的应用场景有哪些?市场规模有多大?驱动二者增长的因素有哪些?

下:

第三代半导体芯片在产业链各个环节 (衬底、外延、设计、制造、封装) 的关键技术有哪些?

国内外主要的第三代半导体厂商有哪些?

1、第三代半导体在击穿电场、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力上全面提升

半导体的应用可追溯到上世纪五六十年代,至今经历了三个时期的的发展迭代(见下图)。

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件,可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域,包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

三代半导体材料主要性能参数比较

2、氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)是当下规模化商用最主要的选择

在第三代半导体材料中,目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),这两种材料是当下规模化商用最主要的选择。

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

从下表常用的“优值(Figure of Merit, FOM)”可以清晰地看出,SiC和GaN相较于前两代半导体材料在功能与特性上有了巨大的提升。

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

*以上优值以Si材料为单位1,进行了归一化

GaN和SiC在材料性能上各有优劣,因此在应用领域上各有侧重和互补。

GaN的高频Baliga优值显著高于SiC,因此GaN的优势在高频小电力领域,集中在1000V以下,例如通信基站、毫米波等

SiC的Keye优值显著高于GaN ,因此SiC的优势在高温和1200V以上的大电力领域,包括电力、高铁、电动车、工业电机等

在中低频、中低功率领域,GaN和SiC都可以应用,与传统Si基器件竞争

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

GaN与SiC的应用领域

3、氮化镓(GaN) 的应用场景、市场规模及增长驱动的因素

GaN器件主要包括射频器件、电力电子功率器件、以及光电器件三类。GaN的商业化应用始于LED照明和激光器,其更多是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性,相关产业已经发展的非常成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要应用领域。

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

GaN射频器件

射频器件的主要技术包括硅基的RF CMOS、Si-LDMOS方案,基于GaAs的方案,以及GaN方案。

硅基的RF CMOS适用于低频、低功率领域。在蓝牙、Zigbee应用占主导地位,一些WiFi和低端手机也使用该方案

GaAs方案适合小功率应用,通常低于50W,是目前4G/LTE基站射频芯片的主要技术之一。大部分手机的功放芯片也使用GaAs方案。短期内5G的手机终端也仍然是GaAs方案

Si-LDMOS(横向扩散MOS)是目前4G/LTE基站射频芯片的主要技术之一。LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在3.5 GHz以下

GaN方案则弥补了GaAs和Si-LDMOS这两种传统技术的缺陷,将在高功率,高频率射频市场优势明显,特别是在高频(大于8 GHz)、中大功率(10W~100W)范围

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

数据来源:Yole

GaN射频器件的应用优势:

GaN在功率密度上的优势使得芯片体积大为缩小

5G基站会用到多发多收天线阵列方案,GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进

在高功率,高频率射频应用中,获得更高的带宽、更快的传输速率,以及更低的系统功耗

此外,GaN射频功率晶体管,可作为新的固态能量微波源,替代传统的2.45GHz磁控管,应用于从微波炉到高功率焊接机等消费电子和工业领域。

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上)

数据来源:Qorvo

GaN射频器件的市场规模:

“GaN射频器件全球市场预计到2024年成长至20亿美元,虽然在整个百亿美元的射频芯片市场中的占比仍然较小,但是增速可期。”

(编辑:ASP站长网)

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