“碳中和”，第三代半導(dǎo)體未來可期

作者：張依依來源：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

為應(yīng)對氣候變化，我國提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。 可提升能源轉(zhuǎn)換效率的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在開啟發(fā)展加速度，有望成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。目前，第三代半導(dǎo)體的觸角已延伸至數(shù)據(jù)中心、新能源汽車等多個關(guān)鍵領(lǐng)域，整個行業(yè)漸入佳境，未來可期。

以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率等優(yōu)勢，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，是助力社會節(jié)能減排并實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要發(fā)展方向。“碳中和”趨勢浪潮下，可提升能源轉(zhuǎn)換效率的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在開啟發(fā)展加速度，有望成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。

在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣上升之際，很多企業(yè)都對此領(lǐng)域青睞有加，展開資本布局。近期，聞泰科技全資子公司、全球功率半導(dǎo)體領(lǐng)先企業(yè)——安世半導(dǎo)體宣布與國內(nèi)汽車行業(yè)龍頭公司聯(lián)合汽車電子有限公司（簡稱UAES）達(dá)成合作。雙方將在功率半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）領(lǐng)域展開深度合作，滿足未來新能源汽車電源系統(tǒng)對技術(shù)不斷提升的需求，并共同推動GaN工藝技術(shù)在國內(nèi)汽車市場的研發(fā)和應(yīng)用。

安世半導(dǎo)體相關(guān)人員對第三代半導(dǎo)體在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景表示看好：“新能源汽車電源系統(tǒng)有望在未來主導(dǎo)半導(dǎo)體器件持續(xù)增長的市場需求，硅基氮化鎵場效應(yīng)晶體管的功率密度和效率將在汽車電氣化應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。”

也是在最近，隸屬于博世集團(tuán)的羅伯特·博世創(chuàng)業(yè)投資公司（RBVC）已完成對基本半導(dǎo)體的投資。資料顯示，基本半導(dǎo)體是中國領(lǐng)先的碳化硅功率器件提供商之一。博世集團(tuán)幾日前在德累斯頓建設(shè)車用半導(dǎo)體芯片廠來生產(chǎn)車用傳感器芯片，此次對基本半導(dǎo)體的投資也預(yù)示其有意在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)一步涉足。

除資本加持外，在第三代半導(dǎo)體的研發(fā)和生產(chǎn)方面，國內(nèi)企業(yè)也進(jìn)展頻頻：三安光電位于湖南的首個第三代半導(dǎo)體芯片廠房已順利封頂，預(yù)計(jì)今年6月試投產(chǎn)；露笑科技已于近期實(shí)現(xiàn)6英寸碳化硅襯底片試生產(chǎn)，另公司自主研發(fā)的碳化硅長晶爐已實(shí)現(xiàn)銷售，下游客戶已陸續(xù)投產(chǎn)；海特高新硅基氮化鎵產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)規(guī)模出貨，公司的客戶主要為芯片設(shè)計(jì)公司和模組公司。

值得一提的是，三安光電此前早已推出了6英寸SiC晶圓代工制程，2020年初，該公司的氮化稼產(chǎn)能已達(dá)2000片/月，2020年年底已完成碳化硅MOSFET器件量產(chǎn)平臺的打造。

政策方面，上海臨港新片區(qū)近日發(fā)布了集成電路產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)規(guī)劃（2021-2025）。規(guī)劃中提出，推進(jìn)6英寸、8英寸GaAs、GaN和SiC工藝線建設(shè)，面向5G、新能源汽車等應(yīng)用場景，加快化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品驗(yàn)證應(yīng)用。

應(yīng)用場景觸及“碳中和”關(guān)鍵領(lǐng)域

近年來，第三代半導(dǎo)體成為行業(yè)新風(fēng)口。受疫情后期汽車、工業(yè)和移動通信等行業(yè)市場需求反彈因素推動，再加上“碳中和”概念倡導(dǎo)及相關(guān)政策支持，2021年，第三代半導(dǎo)體的成長動能有望持續(xù)上升。根據(jù)TrendForce集邦咨詢方面最新預(yù)測，2021年，GaN功率器件的成長力道最為明顯，預(yù)估其今年市場規(guī)模將達(dá)6,100萬美元，年增長率高達(dá)90.6%。

在市場規(guī)模日漸擴(kuò)大的情況下，第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場景正在不斷拓展，目前已經(jīng)從半導(dǎo)體照明等小批量應(yīng)用走向了包括數(shù)據(jù)中心、新能源汽車等更廣闊的市場。

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長于坤山肯定了新興市場對第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供的助力。他表示，以5G、新能源汽車、能源互聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)類電子、新一代顯示、紫外等應(yīng)用市場啟動為契機(jī)，已經(jīng)完成第三代半導(dǎo)體布局并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)和地區(qū)將首先收獲成果。

應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的第三代半導(dǎo)體可以大幅減少電能的消耗。公開資料顯示，一個大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房一年的耗電量相當(dāng)于一個中等城市的用電量。在耗電量如此巨大的情況下，如果使用第三代半導(dǎo)體芯片來控制電源，相比于硅芯片可以省下大量電力。開源證券研究所副所長兼電子首席研究員劉翔告訴《中國電子報》記者，隨著“碳中和”進(jìn)程加快，化石能源將逐步被其他電力能源取代。無論是電力的傳輸還是控制，都需要第三代半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)。“第三代半導(dǎo)體的效率更高，能工作的電壓范圍更大，所以用量肯定是非常大的。”他說。

以第三代半導(dǎo)體的典型應(yīng)用場景——新能源汽車為例，根據(jù)福特汽車公開的信息，相比于傳統(tǒng)硅芯片（如IGBT）驅(qū)動的新能源汽車，由第三代半導(dǎo)體材料制成芯片驅(qū)動的新能源汽車，可以將能量損耗降低5倍左右。 

作為第三代半導(dǎo)體的代表，碳化硅技術(shù)的應(yīng)用與整車?yán)m(xù)航里程的提升也有著緊密的聯(lián)系，第三代半導(dǎo)體材料在提高能效、電源系統(tǒng)小型化、提高耐壓等方面的性能已經(jīng)達(dá)到了硅器件無法企及的高度。小鵬汽車動力總成中心IPU硬件高級專家陳宏表示，相比硅基功率半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體碳化硅MOSFET具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點(diǎn)。采用碳化硅技術(shù)后，電機(jī)逆變器效率能夠提升約4%，整車?yán)m(xù)航里程將增加約7%。

目前第三代半導(dǎo)體的觸角延伸到了5G、新能源汽車等多個關(guān)鍵市場，劉翔認(rèn)為，碳化硅的原材料——長晶的培育有望成為國內(nèi)第三代半導(dǎo)體市場的突破口。

長晶的生產(chǎn)難度較大，長晶的源頭——晶種很難獲取，而且要求極高的純度。另外，長晶生產(chǎn)過程中對溫度和制程的要求很高，生產(chǎn)時間也比較長。碳化硅長一根晶棒需耗時2 周，但成果可能僅3公分，量產(chǎn)難度很大。基于此，劉翔認(rèn)為，我國有必要提升對長晶培育環(huán)節(jié)的重視程度。

除長晶培育外，如何打破國外企業(yè)對碳化硅市場的壟斷也是亟待解決的問題之一。安芯基金首席戰(zhàn)略官周貞宏表示，現(xiàn)階段，高速發(fā)展的碳化硅材料市場被國際巨頭壟斷，國產(chǎn)碳化硅基材僅占全球市場的2.2%。全國政協(xié)委員王文銀也指出，目前國內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的高端產(chǎn)品多為進(jìn)口，先進(jìn)入市場的全球巨頭已經(jīng)建立了自身的朋友圈與護(hù)城河。

針對如何打破國外企業(yè)對碳化硅市場的壟斷，西安電子科技大學(xué)教授張玉明向《中國電子報》記者表示，我國還需提高碳化硅晶圓的尺寸和質(zhì)量，制造工藝柵界面調(diào)控技術(shù)還需加強(qiáng)，成品率也需進(jìn)一步提升。