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我国发展化合物半导体产业正当时

发布时间:2016-06-30   来源: 电子信息产业报   浏览次数:  
    化合物半导体是区别于硅(Si)和锗(Ge)等传统单质的一类半导体材料,主要包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等。相对于硅材料,化合物半导体性能更加优异,制作出的器件相对于硅器件具有更优异的光电性能、高速、高频、大功率、耐高温和高辐射等特征。

  当前,全球半导体产业正处于深度变革,化合物半导体成为产业发展新的关注点,我国应加紧产业布局,抢占发展的主动权。

  一、化合物半导体成为集成电路产业新关注点

  (一)集成电路产业深刻变革驱动化合物半导体市场发展

  一是集成电路产业遵循“摩尔定律”演进趋缓,以新材料、新结构以及新工艺为特征的“超越摩尔定律”成为产业新的发展重心。二是曾经驱动集成电路市场高速增长的PC和智能手机市场疲软,未来5G和物联网将成为新风口。三是全球能源和环境危机突出,能源利用趋向低功耗和精细管理。化合物半导体作为新材料和新器件,在微波通信器件、光电子器件和功率器件中有着同类硅器件所不具备的优异性能,将在以上应用领域得到广泛应用。

  (二)国内外围绕化合物半导体的并购案频发

  近年来,国际巨头企业纷纷围绕化合物半导体展开并购, 2014年8月,功率半导体领导者德国英飞凌公司以30亿美元收购美国国际整流器公司(IR),取得了其硅基GaN功率半导体制造技术;同年9月,设计和制造GaAs和GaN射频芯片的RFMD公司和TriQuint公司宣布合并为新的RF解决方案公司Qorvo。

  国内企业和资本也围绕化合物半导体产业展开收购。2016年3月,三安光电下属子公司三安集成公司拟以2.26亿美元收购环宇通讯半导体公司(GCS),试图获得其GaAs/InP/GaN化合物半导体晶圆制造代工技术。同年5月,中国福建宏芯投资基金(FGC)拟溢价50%,以6.7亿欧元收购化合物半导体MOCVD设备领导企业——德国Aixtron公司。

  (三)国家“大基金”投资三安光电布局化合物半导体

  2015年6月,国家集成电路产业投资基金(“大基金”)投资48.39亿元入股三安光电,推动三安光电下属三安集成电路公司围绕GaAs和GaN代工制造,开展境内外并购、新技术研发、新建生产线等业务。同时,国家开发银行也以最优惠利率向三安提供200亿元贷款。

  2016年2月,泉州市政府、“大基金”、华芯投资、三安集团等在晋江市合资成立安芯基金,基金目标规模500亿元,首期出资规模75.1亿元,将主要投向III-V族化合物集成电路产业。

  二、全球化合物半导体产业发展迅速,市场空间广阔

  GaAs和GaN的微波通信器件、GaN和SiC的电力电子器件由于下游应用的驱动,技术和产业发展十分迅速,市场空间广阔。

  (一)GaAs器件

  GaAs微波通信器件在移动终端的无线PA和射频开关器领域占主导地位,未来高集成度和低成本制造将成为产业发展趋势,在无线通信、消费电子、汽车电子、物联网等应用领域将得到广泛应用。同时,GaAs基材料有望在集成电路10 nm以下制程以及未来的光互连芯片中得到应用。

  2015年全球GaAs微波通信器件市场规模达到86亿美元,超过60%的市场份额集中于Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago三大巨头,2020年,市场规模预计将突破130亿美元。GaAs产业代工制造模式逐渐兴起,台湾稳懋、宏捷、环宇是主要的代工企业。

  (二)GaN器件

  基于GaN的蓝绿光LED产业发展成熟,微波通信器件和电力电子器件产品尚未在民用领域广泛应用。蓝宝石基GaN技术最成熟,Si基GaN可实现高集成性和低成本,目前Si基GaN技术以6英寸为主流。

  全球GaN微波通信器件和电力电子器件的产值还很低,只有几亿美元,随着技术水平的进步,2020年产值有望达到15亿美元。英飞凌、富士、东芝、松下等大企业纷纷投巨资进军GaN领域。新进入的小企业也有很多,如加拿大的GaN Systems、美国的EPC等公司都已经量产GaN产品。未来在新能源、智能电网、信息通信设备和消费电子领域将得到广泛应用。

  (三)SiC器件

  SiC单晶衬底制造以4英寸为主流,并正向6英寸过渡,同时8英寸也已经问世。产品主要以电力电子器件为主,SiC-SBD(肖特基二极管)技术成熟,已开始在光伏发电等领域替代Si器件,SiC-MOSFET性能突出,可大幅降低模组中电容电感的用量,降低功率模组成本。SiC-IGBT未来将凭借其优异的性能在大型轮船引擎、智能电网、高铁和风力发电等大功率领域得到应用。

  2015年,全球SiC电力电子器件市场规模达到近1.5亿美元,预计2020年将达到10亿美元。SiC衬底的主要供应商有科锐、Rohm/SiCrystal和II-VI等,其中科锐公司占据了SiC衬底90%的供应量。SiC器件市场,科锐和英飞凌/IR两家巨头占据了70%的市场份额。SiC电力电子器件在低电压产品领域将面对GaN器件的激烈竞争,在PFC、UPS、消费电子和电动汽车等900V以下的应用领域,低成本的GaN器件将占据主要市场,SiC器件未来主要面向1200V以上的市场。

  三、我国产业发展面临重大机遇

  (一)《中国制造2025》为产业发展提供政策支持

  2015年5月,国务院发布《中国制造2025》。新材料在《<中国制造2025>重点领域技术路线图》中是十大重点领域之一,其中化合物半导体中的第三代半导体被纳入关键战略材料发展重点。

表1 《中国制造2025》技术路线图中化合物半导体材料相关发展目标

发展重点

细分发展重点

2025年任务目标

关键战略材料:先进半导体材料

1)第三代半导体单晶衬底

6-8英寸SiC、4-6英寸GaN、2-3英寸AlN单晶衬底制备技术;可生产大尺寸、高质量第三代半导体单晶衬底的国产化装备。

2025年实现在5G移动通讯高效能源管理中国产化率达到50%;在新能源汽车、消费类电子领域实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%。

2)第三代半导体光电子器件、模块及应用

200 lm/W以上光效的LED外延和芯片制备技术;50mW以上AlGaN基紫外LED。

3)第三代半导体电力电子器件、模块及应用

15kV以上SiC电力电子器件制备关键技术;高质量、低成本GaN电力电子器件的设计与制备;在高压电网、高速轨道交通、消费类电子产品、新能源汽车、新一代通用电源等领域的应用。

4)第三代半导体射频器件、模块及应用

100Mhz以上GaN基HEMT微波射频器件和模块;5G移动通信和卫星通信领域中的应用。

 

  (二)集成电路高速发展为产业发展提供技术支撑

  我国集成电路正处于大发展时期,可为化合物半导体产业提供先进技术支撑。如GaAs或GaN单片微波集成电路的设计和仿真技术、化合物半导体制造工艺和生产线的建设技术、先进封装和测试技术、光刻机和CVD等通用设备的制造技术、以及大尺寸硅单晶衬底和光刻胶等通用配套材料的制备技术。

  (三)重点应用领域和国产化替代需求为产业发展提供巨大市场

  我国的光伏、风能、4G/5G移动通信、高速铁路、电动汽车、智能电网、大数据/云计算中心、半导体照明等产业发展如火如荼,是化合物半导体大显身手的应用领域,如4G/5G通信基站和终端使用的GaAs或GaN微波射频器件和模块、高速铁路使用的SiC基牵引传动系统、光伏电站、风能电场和电动汽车使用的GaN或SiC电能逆变器或转换器、智能电网使用的SiC大功率开关器件、工业控制使用的GaN或SiC基电机马达变频驱动器、大数据/云计算中心使用的GaN或SiC基高效供电电源、半导体照明中使用的GaN基高亮度LED等。

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