功率半導體研發(fā)接近“終極”，中國有望引領(lǐng)超400億美元市場
在金剛石半導體中，輸出功率值為全球最高，在所有半導體中也僅次于氮化鎵產(chǎn)品的約2090兆瓦。與作為新一代功率半導體的碳化硅（SiC）產(chǎn)品和氮化鎵（GaN）產(chǎn)品相比，金剛石半導體耐高電壓等性能出色，電力損耗被認為可減少到硅制產(chǎn)品的五萬分之一。金剛石功率半導體的耐熱性和抗輻射性也很強，到2050年前后，有望成為人造衛(wèi)星等所必需的構(gòu)件。
浙商證券王華君等人在2022年8月13日發(fā)布的研報中表示，半導體材料是制作半導體器件和集成電路的電子材料。耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫，多重特性助推金剛石成下一代半導體材料。金剛石禁帶寬度5.5eV超現(xiàn)有氮化鎵、碳化硅等，載流子遷移率也是硅材料的3倍，同時金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度，且具備優(yōu)異的耐高溫屬性。
CVD法制備人造金剛石因其耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等諸多優(yōu)勢，被普遍認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最優(yōu)材料，根據(jù)原子排列方式不同又分為多晶金剛石及單晶金剛石。展望未來，CVD法人造金剛石可通過晶圓拼接方式制作大面積單晶晶圓，作為半導體芯片襯底可完全解決散熱問題及利用金剛石的多項超級優(yōu)秀的物理化學性能，制造第四代“終極半導體”。
王華君指出，隨著5G通訊時代全面展開，金剛石單晶材料在半導體、高頻功率器件中的應用日益凸顯，目前全球各國都在加緊金剛石在半導體領(lǐng)域的研制工作，其中日本已成功研發(fā)超高純2英寸金剛石晶圓量產(chǎn)方法，其存儲能力相當于10億張藍光光盤。
在過去相當長的一段時間里，功率半導體市場一直由歐、美、日等外資巨頭牢牢占據(jù)著主導地位，隨著近年來新能源汽車的發(fā)展，許多本土企業(yè)也紛紛入局。放眼市場，不論是傳統(tǒng)Si功率器件IGBT、MOSFET，還是以SiC、GaN等為代表的第三代半導體，國內(nèi)都有企業(yè)布局。
功率半導體品類眾多，市場規(guī)模高達452 億美元
從發(fā)展歷程來看，20世紀50年代，功率二極管、功率三極管面世并應用于工業(yè)和電力系統(tǒng)；20世紀60至70年代，晶閘管等半導體功率器件快速發(fā)展；20世紀70年代末，平面型功率MOSFET發(fā)展起來；20世紀80年代后期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半導體功率器件正式進入電子應用時代；20世紀90年代，超結(jié)MOSFET逐步出現(xiàn)，打破傳統(tǒng)“硅限”以滿足大功率和高頻化的應用需求。
技術(shù)演進方面，隨著社會電氣化程度的不斷提高，功率半導體器件從早期簡單的二極管逐漸向高性能、集成化方向發(fā)展。從結(jié)構(gòu)和等效電路圖看，為滿足更廣泛的應用需求和復雜的應用環(huán)境，器件設(shè)計及制造難度逐漸提高。
以功率MOSFET為例，技術(shù)驅(qū)動的性能提升主要包括三個方面：更高的開關(guān)頻率、更高的功率密度以及更低的功耗。為了實現(xiàn)更高的性能指標，MOSFET器件主要經(jīng)歷了工藝進步、器件結(jié)構(gòu)改進與使用寬禁帶材料等幾個方面的演進。在制造工藝上，線寬制程從10 微米縮減至0.15-0.35 微米，提升了功率器件的密度、品質(zhì)因數(shù)（FOM）以及開關(guān)效率；在器件結(jié)構(gòu)改進方面，功率器件經(jīng)歷了平面（Planar）、溝槽（Trench）、超級結(jié)（Super Junction）等器件結(jié)構(gòu)的變化，進一步提高了器件的功率密度和工作頻率；而在材料方面，新興的第三代半導體功率器件采用了碳化硅（SiC）、氮化鎵(GaN)材料，進一步提升了器件的開關(guān)特性、降低了功耗，也改善了其高溫特性。
發(fā)展至今，按照類別的不同，功率半導體逐漸形成了功率IC 和功率器件兩大類。其中，MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關(guān)器件，相比于功率三極管、晶閘管等電流控制型開關(guān)器件，具有易于驅(qū)動、開關(guān)速度快、損耗低等特點，逐漸成為功率器件的主流產(chǎn)品，目前二者合計占比約為71%。
市場規(guī)模方面，根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)，2020年全球功率半導體市場規(guī)模達到 452 億美元，其中功率 IC 市場規(guī)模為 243 億美元，功率器件市場規(guī)模為 209 億美元。功率器件中，二極管、晶閘管、BJT、功率 MOS 和 IGBT 的市場規(guī)模分別為 38.7 億美元、4.7 億美元、18.1 億美元、81 億美元和 66.5 億美元。隨著“雙碳”政策的逐步推進，據(jù)其預測到2024年全球功率半導體市場規(guī)模達到522億美元。
作為全球最大的功率半導體消費國，2020年中國功率半導體市場規(guī)模達到172 億美元，占全球市場比例高達38%。預計未來中國功率半導體將繼續(xù)保持平穩(wěn)增長，2024 年市場規(guī)模有望達到206 億美元。
國產(chǎn)功率半導體，開啟黃金十年
IGBT市場爆發(fā)
2022年中國IGBT產(chǎn)業(yè)進入爆發(fā)期。
根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會最新統(tǒng)計顯示，2022年中國新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，連續(xù)8年保持全球第一。
IGBT作為新能源汽車核心零部件，需求量持續(xù)高漲。IGBT芯片廠商包括英飛凌和安森美等，這些大廠的交期平均都在一年以上，同時海外如歐洲和美國的電動車市場也開始進入高速增長期，他們會優(yōu)先保障本土供應。因此，在供需偏緊的情況下，國產(chǎn)IGBT廠商在車載IGBT領(lǐng)域的替代進程加速。
2021年底，時代電氣、士蘭微和華虹半導體等廠商的IGBT產(chǎn)能相繼投產(chǎn)，相關(guān)企業(yè)利潤也迅速增厚。比如：斯達半導、士蘭微、比亞迪半導體、時代電氣、宏微科技、華潤微、新潔能等半導體企業(yè)IGBT業(yè)務均實現(xiàn)了極大提升，車規(guī)級IGBT產(chǎn)品在市場上也實現(xiàn)了極大突破。
根據(jù)DIGITIMES Research統(tǒng)計與分析，2022年IGBT因電動車與光伏發(fā)電市場的強勁需求，在供應端產(chǎn)能有限的情況下，整體供需缺口達13.6%。對于中國市場來說，IGBT是近年來半導體和電動汽車的布局熱點，不過至今車規(guī)級IGBT產(chǎn)品國產(chǎn)化率仍然較低。
MOSFET營收超億
MOSFET器件具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特點，廣泛應用于低中高壓的電路中，是覆蓋電壓范圍最廣，下游應用最多的功率器件之一。
隨著新能源汽車加速發(fā)展，汽車功率器件供應缺口拉大，以及以瑞薩為代表的大廠逐步退出中低壓 MOSFET 部分市場。在供給優(yōu)化與需求增加的雙重驅(qū)動下，國產(chǎn)車規(guī)級功率器件廠商開始加速進入汽車供應鏈。
目前士蘭微、安世半導體在 MOSFET 市場份額上位列國內(nèi)廠商前列。此外，華潤微、揚杰科技、蘇州固锝、華微電子、新潔能、東微半導、捷捷微電等國內(nèi)廠商近年來在車規(guī)級 MOSFET 領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。
以士蘭微、華潤微、揚杰科技為代表的 IDM 公司已覆蓋高壓超級結(jié)產(chǎn)品，并逐步擴大產(chǎn)品占有率：士蘭微已完成 12 英寸高壓超結(jié) MOS 工藝平臺開發(fā)；華潤微2022年Q1高壓超結(jié)產(chǎn)品收入超億元；揚杰科技2022年Q1汽車 MOS 訂單實現(xiàn)大幅增長。
在設(shè)計公司端，東微半導、新潔能為代表的 MOSFET 廠商發(fā)展迅速：東微半導 2022年Q1高壓超結(jié) MOS 產(chǎn)品收入占比達 78.1%，車載充電機收入占比超14%；新潔能2022年Q1 超結(jié)MOS 收入近億元(占11.5%)，汽車電子收入占比達 13%。
SiC持續(xù)加碼
SiC作為第三代半導體材料，具有比硅更優(yōu)越的性能。不僅禁帶寬度較大，還兼具熱導率高、飽和電子漂移速率高、抗輻射性能強、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性。
SiC器件廣泛用于光伏逆變器、工業(yè)電源和充電樁市場，已成為中國功率半導體廠商的必爭之地。目前斯達半導車規(guī)級 SiC MOSFET 模塊開始大批量裝車應用，并新增多個使用車規(guī)級 SiC MOSFET 模塊的主電機控制器項目定點；三安光電、華潤微等企業(yè)在 SiC 二極管、SiC MOSFET 等器件領(lǐng)域已逐步實現(xiàn)產(chǎn)品系列化；士蘭微、聞泰科技等企業(yè)也積極布局 SiC 器件研發(fā)，并已取得階段性進展。
面對市場需求轉(zhuǎn)變，功率半導體被認為是中國半導體產(chǎn)業(yè)崛起的可能突破口之一，中國廠商也投入了大量資金進行布局，相關(guān)計劃也陸續(xù)傳出進度更新的消息。
