第三代半导体究竟是何方神圣?

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继“集成电路产业”带动中国在半导体行业的投资热潮后,三代半导体如今逐步进入人们的视线。今天我(作者)就以一个在三代半导体行业浸淫近15载的江湖中人角度给大家聊一聊,三代半导体产业在中国乃至世界的发展,以及这个行业的特点。
 
三代半导体材料的发展历程
 
先扫扫盲吧。
 
首先要给大家声明一下“半导体”可不是收音机和随身听的简称,以后隔壁老王你要是再敢提着你的破收音机来我家,让我给你修理,当心我把你好好修理一下,我这暴脾气......。
 
从最初应用算起,半导体材料已经发展了三代,第一代是四五十年代开始以锗、硅为代表的IV族半导体材料逐步发展起来,推动人类进入电子时代晶体管收音机就是那个时代的产物,老王你明白了吧?
 
到了上个世纪六七十年代,III-V族半导体的发展开辟了光电和微波应用,与第一代半导体一起,将人类推进了信息时代。八十年代开始,以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表的第三代半导体材料的出现,开辟了人类资源和能源节约型社会的新发展,催生了新型照明、显示、光生物等等新的应用需求和产业。
 
其实这些东西的真正应用大约都经历了十几年乃至二十年的培育期,所以大家对于半导体材料的首先要有耐心,没有耐心的人看到这里就可以去追剧了,不必在这里浪费生命了。但是我要提醒你,你将失去参与改变人类历史的机会!虽然你的离开从某种程度上也是改变了历史,呵呵。
 
这里要特别说明一下氮化镓GaN材料。
 
镓是地球上存在的一种贵金属材料,大约排名第十左右,中国储量全球第一。作为三代半导体材料当家花旦的氮化镓,近二十年来,由于LED照明产业的发展推动,已成为三代半导体材料中的核心材料,在光电子方向LED从无到有,快速发展,直至现在发展到千亿美元的规模,是一个新材料开发推动社会变革的典范。
 
另一个有实力的材料碳化硅材料的开发早在七十年代就有了,最近二十年,在材料质量和制备方法上有了突破,逐步进入了市场。在2001年,碳化硅二极管被开发出来之后,材料质量逐步完善,器件性能和可靠性也在逐步改善。到目前为止,碳化硅的二极管以其优异的性能和使用过程中展现的可靠性,已经广泛应用在很多场合。
 
氮化镓GaN和碳化硅同属于第三代半导体材料。为了区别于氮化镓已经形成的LED产业,在产业中有人用第三代半导体指代除LED之外的第三代半导体材料应用(可怜的LED被第三代半导体除名了,谁让你总是光芒四射呢,当然我们也可以理解为人家自立门户去了,反正当今LED主要的产业聚集在中国,世界LED联盟的主席是中国人)。除了,氮化镓和碳化硅,第三代半导体材料还包含ZnO,GaO氧化镓等。
 
既然LED已经离三代半导体阵营而去了,我们在这里就不再叙述了,如果哪天大家有兴趣,我可以抽时间把中国近15年的发展史给大家专门奉上。那其中的诸侯纷争绝对可以做一本中国半导体照明战争史。
 
第三代半导体能做啥?
 
我们今天主要说说三代半导体简称三代半(可不是3.5代哦)到底能干啥?首先要告诉大家的是三代半并不是二代半和一代半导体体的掘墓人,他只是在某些领域拥有比硅器件更有益的性能。所以并不是说一代新人换旧人,而是江湖辈有新人出。
 
如果把我们所认知的半导体世界做一个简单分类的话目前可以分为逻辑类器件和功率器件。一个电子产品的核心部分有计算部分(比如CPU之类的)存储部分比如(内存、硬盘之类的)还有就是提供电力输送和控制的模块。
 
形象的比喻的话就硅器件做的CPU和存储就如同人的大脑,电源和电池就好比是人的心脏。而功率器件就好比是人的血液和神经系统。而三代半导体就是在这个领域在未来取代部分的硅器件为整个系统提供更加优良的解决方案的核心材料。
 
经过几十年的发展,硅材料已经接近完美晶体,对于硅材料的研究也非常透彻。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新,正在逐渐接近硅材料的极限,基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。
 
以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性,为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。
 
下图是Si、GaN、SiC以及GaAs材料基本物理性质、以及多坐标对比。如果你看不懂没关系,这只是给大家分享一点直观的数据。
 
 
1
表1, 三代四种半导体材料的基本物理参数
 
2
 Si, GaAs和GaN三代半导体材料的多坐标物理性能对比。
 
3
Si与GaN器件的电源系统效率比较。
 
看了上面的介绍,现在要讲到关键问题了,就是这玩意儿到底用在哪里?有什么优势呢?为什么政府、科研、产业、资本都对它趋之若鹜。
 
套用业界一位大咖的话说,不论你们看重的是什么,政府首先看重的是节能。没想到吧,似乎也只提高了3%-5%的效率,能节多少能呢?不过其实那只是一次转换中节约比例。
 
设想我们任何一个电子设备到最终实现功能,要经过多少次这样的转化呢?“我觉得十次八次总要的吧。”“需要吗?”“不需要吗?”“需要吗?”“不需要吗?!”“我随便说出来大家探讨而已……需要吗?”这么算出来,估计只要你的体育老师的数学水平还可以的话,你应该可以大概 知道系统节能比例可以高达15%以上。
 
然后才是高频特性、高温特性、高耐压、高功率、小体积这些特性。每一个特性又对应这无数种的应用和排列组合方式。
 
下面该谈应用了。以下我讲述的应用仅仅是三代半导体应用中能够吸引眼球的的几个方面,如果要全面的应用介绍,麻烦大家自己百度一下类似的科普类好文,里面会有分类介绍。我这里讲的全都是你心目中耳熟能详而又高大尚的东西。
 
详细应用领域
 
我们先介绍体系,三代半可以应用的领域可以分为射频器件和电力电子器件两类。说白了就是一个是搞微波(不是微博哦)通讯类的,一个搞供电模块的。我们按照这个分类给大家介绍几个明星应用:
 
(1)相控阵雷达
 
没错!就是这个老美引以为豪的东东,萨德我就不说了,来气。相控阵雷达中就大量应用了氮化镓的射频器件。军工领域对于三代半导体的应用层出不穷。包括氮化镓和碳化硅的功率器件,未来也会发挥重要作用,这里面我就不多说了,“国家机密,以人民的名义”。
 
(2)5G通讯
 
硅材料作为通讯材料的老大哥,干到现在,真是有些干不动了,即便使出洪荒之力,也没有办法承担5G通讯这么高的带宽速度的重压了。所以只有靠氮化镓来完成了。美国Qorvo就是这个产业的先行者。
 
另外,目前国内无论是华为、中兴这样的通讯企业,还是在这个行业蹲守苦干多年的专业射频器件生产企业都盯住了这块市场,可以预料在不久的未来,里面的厮杀将会达到白热化,而市场利润空间很大,但巨头、寡头也很大。小伙伴们你们准备好了吗?顺便弱弱的问一句各位业界的CEO们:“如果华为准备干这个器件,你怎么办?”
 
(3)物联网
 
马云说过:未来互联网会消失,物联网会取而代之。真的是他说的吗?管他呢!反正物联网是一个未来的热点,正在向我们走来,这里面,将充斥着三代半导体的射频和功率器件。
 
(4)电动汽车
 
未来电动汽车的动力全要靠三代半导体的功率器件了,碳化硅、氮化镓都会在电动汽车里有很大的市场。仅功率器件一项,每辆车就会增加大约300美元的需求。
 
(5)机器人
 
我的天,你是要把未来世界都划进来吗?可是事实就是未来的机器人必然需要节能、小型化、大功率、高反应速度的三代半器件。无论工业机器人、家用机器人、还是无人机。都孕育着巨大的市场机会。
 
(6)白色家电
 
虽然不是很高大上,但是白色家电的市场规模却不容忽视,未来随着智能家居技术的发展,白色家电和物联网互联网以及可穿戴设备的融合,使得这个行业充满了新的机会。
 
(7)互联网
 
终于说到互联网了,这个时代如果一个产品不能和互联网联系在一起似乎就是一个没有前途的产品。但是你有没有想过互联网是靠什么维持的呢?云计算、大数据如果没有了三代半导体功率器件的支撑他们还能存在吗?你知道在谷歌上搜索一个关键词要花费多少电力吗?这些电力是被哪些器件供给那些有计算能力的机器的呢?
 
(8)新能源
 
各种新能源逆变器和辅助设备
 
(9)高铁
 
央视报道的IGBT,号称高铁的中国芯。未来随着三代半导体技术的发展,硅的IGBT被替代的日子应该不远了。
 
总之,三代半导体器件如同建筑行业的钢筋水泥一样,遍布在这个电力电子产品充斥的社会的每一个角落。严格的讲,不是互联网改变了世界,而是半导体改变了世界近几十年的发展。但是这个产业的是否如同互联网一样光鲜亮丽呢?提到半导体产业,多数人都会表示:比较沉重。
 
国外的知名玩家
 
最后还是要介绍一下这个行业的生态浮世绘,都谁在玩呢?传统的功率器件国际上的巨头是英飞凌。当中也不乏各种日本企业和美国企业,大家有兴趣可以看看下面的图,不过2015年开始的这个行业各种并购,这张图已经完全不能够适应当今时代的发展了。关于这个行业并购的内幕和重要事件,我会找时间从投行的专业角度再给大家介绍。
 
4
 
但是三代半导体也是有自己的朋友圈的,由于国际巨头对于硅器件市场的保护,这些大家伙们往往采用的技术上紧锣密鼓,产品上按兵不动的思路。谁也不想用自己的刀割自己的把啊!况且,由于他们对于化合物半导体材料的技术储备也不处于多么大的优势,所以三代半导体行业还涌现出了一些,后起之秀。其中也不乏来自中国的企业。
 
三代半导体的氮化镓功率器件国际浮世绘是这样的:
 
5
 
三代半导体碳化硅的国际浮世绘没有找到,我也就不费劲画了,抱歉。三代半导体的射频器件由于比较敏感,我也不敢在这里多说了。但正如前面所说,由RFMD和超群合并而成的美国Qorvo等公司,正是当中的先行者。
 
国产的缺失
 
沉重的来源在于我们在第一代和第二代半导体产业中,始终是一个小学生,落后世界先进水平20年之多。虽然我们在努力赶上,但目前看来,也许我们可以成为这个行业的制造大国,却很难成为这个行业的强国。动辄几百亿的投资,也让整个行业喘不过气来。
 
三代半导体的出现,似乎给了我们一个可以在国际半导体领域实现弯道超车的机会,主要有以下几个事实:
 
1.三代半导体出现于改革开放初期,中国刚刚走向那新时代。我们唱着东方红,改革开放富起来。中国的科研力量开始回复正常,所以我们并没有像第一和第二代半导体一样,由于某些大家熟知的原因,我们起个大早赶了个晚集。
 
2.LED的发展使得中国具备了发展三代半导体,特别是氮化镓的产业基础。虽然LED和功率半导体隔着行,但是毕竟中国在这个领域里取得了骄人的战绩。全球主要的制造设备,产业链配套、技术人员都云集在中国。
 
3.中国在微电子硅领域已经进行了二十多年的产业化进程,虽然我们在微电子方面离世界水平还有一段距离,但三代半功率器件恰恰是用的是微电子的6英寸、8英寸线的工艺。对于加工精度的要求在微电子领域是小儿科的技术。这为中国发展三代半导体产业提供了相对强大的产业能力。
 
4.中国是世界上最大的器件市场,强大的市场拉动,使得全球任何一家第三代半导体产业公司都把中国列为重要的市场。也为中国企业发展这个产业创造了近水楼台的机会。
 
最后谈下与钱相关的吧,这个行业的市场规模估计有也就几百亿美元吧,如果打“一亿漂十亿”的小麻将估计一晚上都支持不下来。但是如果按照产业拉动来算的话,未来大约会形成5000-10000亿美金的市场规模。简而言之,就是天花板很高,大家都有饭吃。目前,投入这个行业里的资金也就是多说也就十亿美金吧。投资规模还赶不上一个硅的12寸线。所以,这里是一个充满机会的蓝海,但是风浪也很大,没有有经验的水手,光有钱是不行的。
 
希望国内各位入局第三代半导体的厂商能够帮助国产半导体冲出一片新天地。
 
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