FABIE观察 | 第三代半导体产业是我们超车的机会吗?

1发布 · 2021-07-14 14:52 4

FABIE 说

      半导体,也许是这个时代商业、科技、政治各个层面都最为关注的宠儿。它们是信息产业的基石,你所能触及的电子信息产品,如无意外都无法摆脱半导体的影子。随着万物互联的演进,可以想象,半导体将会是21世纪信息产业的“基础设施”,半导体之于信息产业,则如混凝土之于摩登大厦。本期,FABIE就跟大家聊聊第三代半导体材料。

一、关于半导体


        在说第三代半导体之前,我们首先明确几个概念性的东西。


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半导体、集成电路和芯片

     半导体(Semiconductor)指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,因其特殊可变的导电性能,一直是科学界和投资界竞逐研究的对象。

集成电路(Integrated Circuit),是用半导体材料制成的电路集合,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容、电感等元件及布线互连一起,制作在半导体晶片上,成为具有所需电路功能的微型结构。

芯片(Chip),是集成电路的一种,它可以是单一类型集成电路,也可以由不同种类型的集成电路组成。芯片是信息产业发展的“心脏”,是支撑经济社会发展的基础性、先导性、战略性产业,也是全球高科技国力竞争的战略必争制高点。

前面说到,随处都有半导体的影子,主要就是因为,处处都有集成电路和芯片的存在,而集成电路和芯片是半导体的主要应用载体。现在如此,未来很长一段时间,也许更是如此。


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第三代半导体

国际上一般把禁带宽度(Eg)大于或等于 2.3 电子伏特(eV)的半导体材料称之为第三代半导体材料,与之相对应的是第一代、第二代半导体。第一代半导体以硅为代表,技术最成熟,泛用性也最强,目前仍然广泛运用于集成电路绝大部分领域;第二代半导体以砷化镓、锑化铟、磷化铟为代表,主要运用于光电子、微电子、微波功率器件等领域。

第三代半导体是半导体家族中最年轻的成员,其相对更宽的禁带允许材料在更高的温度、更强的电压、更快的开关频率下运行,因此第三代半导体具备耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性,可以用作功率器件和射频器件,广泛应用于 5G 基站、新能源汽车、特高压、消费电子、航空航天、数据中心等领域。常见的第三代半导体材料包括:碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石(C)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)等,其中,SiC和GaN技术发展相对成熟,已经开始产业化应用,而金刚石、氧化锌、氮化铝等材料尚处于研发起步阶段。整体上,第三代半导体仍处于发展初期,仅仅在功率器件、光电子、射频等领域得到一些应用。

图1. 第三代半导体应用分类  资料来源:程星华


过去几十年,“摩尔定律”一直是电子信息产业发展的引领者。但随着半导体产业的发展和生产工艺的改进,第一、第二代半导体材料工艺已接近其物理极限,从经济效益看,“摩尔定律”逐渐失效。而第三代半导体是“超越摩尔定律”的重要发展方向,突破第三代半导体技术,必定能引领新一轮的电子信息产业飞跃,抢占第三代半导体技术、市场滩头的重要性不言而喻。


二、市场及国内政策

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市场规模

宏观来看,第三代半导体产业大约可以分为衬底-外延-器件-制造四大环节,其中衬底可理解为晶圆环节,外延是在衬底基础上成长出合适的材料结构用于后续设计,器件则类似芯片设计。第三代半导体的其中一个难点就在于衬底部分。

据迪赛顾问预测,2020 年,中国第三代半导体衬底材料市场继续保持高速增长,市场规模达到 9.97亿元,同比增长 26.8%。预计未来三年,中国第三代半导体衬底材料市场规模仍将保持 20%以上的平均增长速度,到 2023 年将突破 20 亿元,达到 20.01 亿元。

目前,第三代半导体市场规模不大,但增长速度较快。2019 年,GaN市场规模约 5.6 亿美元,在射频器件领域占比超过 30%;预计 2025 年,GaN占比有望超过50%,市场规模超过 30亿美元。SiC方面,2019 年全球市场规模约 5.4 亿美元,在 2025 年有望达到 30 亿美元,汽车市场将成为SiC市场规模增长的重要驱动力。

图2. 2018-2023年中国第三代半导体材料市场规模及预测 资料来源:李龙、迪赛顾问


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国内政策情况

早在 2013 年,科技部“863 计划”就将第三代半导体产业列为国家战略发展产业。2016 年,国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》中,将第三代半导体列为国家科技创新项目中“重点新材料研发及应用”重要方向之一。

2020年4月,国家发改委正式明确“新基建”的范围,包括了5G 基建、新能源汽车充电桩、特高压及轨道交通等第三代半导体主要应用领域。同时,国家 2030 计划和“十四五”规划都已经明确将第三代半导体作为重要发展方向。此外,国务院发布的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》《关于扩大战略性新兴产业投资 培育壮大新增长点增长极的指导意见》《关于促进集成电路产业和软件产业高质量发展企业所得税政策的公告》等政策,为第三代半导体等相关企业给予支持。未来,以 GaN 和 SiC为首的第三代半导体材料将成为支持国家“新基建”的核心材料。


随着国家层面第三代半导体支持政策的出台,各省市也纷纷加强布局。据统计,2020年,我国各地方发布的第三代半导体相关政策 16 条,覆盖了 12 个省(含直辖市)。

广东省2020年发布的《广东省发展新一代电子信息战略性支柱产业集群行动计划》和《广东省培育半导体及集成电路战略性新兴产业集群行动计划》,将设置首期规模达到200亿元的半导体及集成电路产业的投资基金,每年并投入不低于10亿元,支持半导体与集成电路领域技术创新,并就基于GaN等前沿新材料的第三代半导体和先进封装技术等方向开展关键核心技术攻关,加快深圳、珠海、东莞等第三代半导体发展,在未来五年打造湾区芯片半导体产业链。

东莞市“十四五”规划纲要指出,立足电子信息制造业,全力打造万亿级电子信息产业世界级先进制造业集群,重点发展第三代半导体材料、电子新材料、加快推进发展人工智能通信芯片设计,推动电子信息制造走向高端化、前沿化。



三、产业布局

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国际整体分布概况

目前,半导体芯片行业运作模式通常有三种,分别为:IDM(Integrated Device Manufacture)模式,主要将集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身。IDM主要是一些半导体垂直整合型公司,自身实力及其强大,代表企业有三星、德州仪器、英特尔、华润微、士兰微等;Fabless模式:无工厂芯片供应商,只负责芯片的电路设计与销售,将生产、测试、封装等环节外包,要求有较强的上下游产业链融合能力,代表企业有高通、联发科、阿里达摩院、紫光国微等;Foundry(代工厂)模式:只负责制造、封装或测试的其中一个环节,不负责芯片设计,可以同时为多家设计公司提供服务,要求生产投入规模大,代表企业有台积电、中芯国际、联华电子等。

根据公开资料,从全球第三代半导体产业格局来看,主要包括日本、美国、欧洲、中国。其中日本技术力量雄厚,产业链完整,在设备和模块开发方面处于领先地位。美国在SiC领域占据最大市场份额,同时拥有GaN完整产业链。欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、设计及制造的完整产业链,拥有英飞凌、意法半导体等国际顶级制造商。SiC产业呈现美、日、韩三足鼎立局面,美国最大,前五大厂商占据90%市场份额,科锐、英飞凌、罗姆三家公司占据全球70%~80%的市场份额,全球SiC衬底几乎由科锐一家主导,占据了全球近40%的市场份额。

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国内产业布局

从国内企业分布地区来看,中国第三代半导体产业的区域格局已逐渐形成,各地政府纷纷成立创新中心及产业园,以应用为牵引,以产业化需求为导向,抓住产业技术核心环节,推动产业链上下游联动发展。从区域看,珠三角、长三角企业的密集度较高,据CASA Research不完全统计,截至2020年底,国内有超过170家从事第三代半导体电力电子和微波射频的企业,覆盖了从上游材料的制备(衬底、外延)、中游器件设计、制造、封测到下游的应用,基本形成完整的产业链结构。

从各省(直辖市、自治区)企业数量来看,北京最多,浙江排名第二,江苏、山东和广东排名第三。其中,北京自2012年起就开始研发布局,且拥有国内发展第三代半导体产业最为丰富的要素资源,迄今保持先发优势,有天科合达、华峰测控、世纪金光、泰科天润等企业,其中华峰测控是国内最大的半导体测试设备供应商;浙江有士兰微、斯达半岛体、露笑科技企业等,其中士兰微已成为国内规模最大的集成电路芯片设计与制造一体(IDM)的企业之一;江苏省培育了苏州纳维、英诺赛科(苏州)、中科汉韵等多家企业,如苏州纳维研发的2英寸GaN单晶产品的质量被《应用物理》杂志评为国际第一;山东省有山东天岳、山东华芯、山东有研等企业,其中山东天岳在2019年及2020年间,已跻身半绝缘型SiC衬底市场的世界前三,并获得华为旗下哈勃投资入股;广东省有比亚迪半导体、东莞天域半导体、中镓半导体等企业,中稼半导体建成了国内首家专业GaN衬底生产线,可以制备出1100μm的自支撑GaN衬底。

图3. 国内外SiC产业链各环节代表企业 资料来源:程星华


图4. 国内外GaN产业链各环节代表性企业 资料来源:程星华


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国内产业当前发展形势

在政策支持、需求全面回暖的多重因素作用下,半导体产业正迎来超级景气周期。根据中国经营报报道,近日,多家国内半导体企业陆续交出靓丽的成绩单,预计上半年业绩大幅增长。IC封测厂通富微电、半导体设备供应商芯源微、LED驱动芯片龙头明微电子、功率半导体龙头扬杰科技先后发布了半年报预增公告,利润多实现翻倍增长,净利润最高涨幅达 800%以上。目前已有10多家半导体概念股披露了业绩预计公告,绝大多数实现预增和大幅预增,业绩表现超出市场预期。如国内IDM龙头之一华润微,2021年一季度营收和利润双增,其归母净利润更是同比增长超250%,企业发展强劲。

以电子信息产业为主导产业的东莞,在第三代半导体产业发展方面同样走在前列,建立了中国第三代半导体南方基地和广东省第三代半导体技术创新中心等平台,并形成了产业规模集聚。

图5.东莞从事第三代半导体产业的企业 FABIE整理


四、写在最后

第三代半导体是基于半导体材料科学方面的创新,虽然这是“超越摩尔定律”的重要发展方向,但从技术角度而言,第三代半导体并不能够完全取代第一代、第二代半导体材料。应用场景的多样性及政治经济战略性需求是第三代半导体产业发展的主要动力,使其成为当前全球半导体产业发展的重要方向。对我国而言,国内企业真正能规模量产第三代半导体的企业凤毛菱角,且无论是技术上还是企业规模上,与国际大企业仍然存在较大差距,同时专业人才的缺口也限制了产业的发展。

但同时也要看到,在全球半导体迭代升级的关键期,第三代半导体的发展尚处于初期阶段,尚无公司或国家占据明显的主导地位,这为我国提供了避开芯片行业“封锁”的最佳机遇之一,也是实现弯道超车的好机会。

参考资料:

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资料整理 | Kay、Tristan、Calvin

图文编辑 | Kay

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