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近日,工信部在政协十三届全国委员会第四次会议中表示,下一步将以重大关键技术突破和创新应用需求为主攻方向,进一步强化产业政策引导。同时,工信部将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划,并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等碳基材料纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划,以全面突破关键核心技术,攻克“卡脖子”品种,提高碳基新材料等产品质量,推进产业基础高级化、产业链现代化。

当下,我国半导体产业正进入加速升级转型期,但在传统的第一、第二代半导体材料领域,我国起步较晚,与国外先进水平差距较大。尽管我国奋起直追,但在美国强势的科技封锁重压下,技术突破仍面临着极大的阻碍。

而碳化硅、碳基复合材料等第三代半导体材料是目前半导体市场的新兴领域,国内外市场尚处于起步阶段,产品尚未成熟,且国内外发展差距较小、渗透率较低,因此带来较大的国产替代空间。

在近年来“十四五”等一系列国家政策中,碳化硅、碳基复合材料等受到国家高度重视,成为我国半导体发展布局的重要赛道。同时,传统硅材料难以满足时代发展的新兴需求,碳化硅对硅的部分替代将是顺应时代和科技发展的必然趋势。

碳基新材料优势显著

替代格局初步形成

行业周知,硅制备相对简单且自然界储量大,以硅为衬底的半导体产品是目前半导体、电子元器件制造中最主要的原材料之一,占据90%以上市场。但随着科技发展,硅基功率器件逐渐难以满足5G基站、新能源车、高铁等新兴行业应用中对功率器件的高频化、大功率化及微型化需求的发展趋势,同时严苛的工况对封装绝缘材料提出了更高的要求,SiC等其他材料的出现,对硅的地位形成挑战。

SiC含有硅和碳,有着世界第三硬物质之称,化学键比普通硅要更加坚固,相较于传统的硅器件,碳化硅还拥有着耐高温、高热导率、高电子饱和漂移速度、高电流密度等诸多益处。同时其介电击穿强度约是硅的10倍,主要用于生产功率半导体器件,适用于更高温度、更高频率、更高电压及更高电流的功率半导体器件生产场景。此外,SiC的加工需要先进的技术,SiC的稳定性以及其他特性使芯片制造商能够将能耗损失减少一半以上。

第三代半导体SiC突破了Si的材料瓶颈,基于自身的显著优势,成为新一代功率器件的不二选择。在5G通讯、新能源汽车、电力电子等行业的应用优势逐渐凸显,有望实现部分硅替代,成为制备高压、高频器件新衬底材料,因此备受电力、汽车、电机等厂商的密切关注。

9月7日,据外媒报道,特斯拉成为全球首批在量产汽车中使用SiC芯片的汽车制造商之一。长期以来,硅是半导体行业的首选材料,此次特斯拉在Model 3中使用SiC可谓是一项大胆的举措。通过将SiC芯片集成到Model 3中,特斯拉为电动汽车供应链提供新的发展动力。

据悉,特斯拉Model3拥有更长的续航时间及更优良的持续高性能表现,初次亮相,便让全球汽车厂商将目光聚焦在SiC这种全新的半导体材料,其优异性能有了实际表现,或将引领市场开始变化。

业内人士表示,特斯拉Model 3大获成功,有效地在芯片行业掀起轩然大波,开始催生出一系列对SiC芯片应用及开发承诺,在庞大的市场需求推动下,一大批采用SiC芯片的新型汽车正在路上。

今年6月,德国芯片制造商英飞凌科技推出一款用于电动汽车逆变器的SiC模块,将用于现代汽车下一代电动汽车。现代汽车表示,与配备普通硅芯片的汽车相比,电动汽车的续航里程可提高 5%;

8月6日罗姆宣布与中国汽车制造商吉利汽车集团创建策略伙伴关系。吉利计划采用罗姆的先进SiC功率解决方案,内置罗姆碳化硅功率组件的电控系统将被应用于吉利正在开发的纯电动汽车平台以延长电动汽车续航里程、降低电池成本并缩短充电时间。

除了器件本身显著特性外,碳化硅对我国半导体产业意义非凡,有望引领中国半导体进入黄金时代。在推进半导体国产化进程中,受压于中美贸易战,关于第一、第二代半导体技术突破屡屡受阻。

而在第三代半导体追赶路上,国内厂商阻力远小于传统硅基领域,且目前其他发达国家制裁、控制中国第三代半导体发展的手段和技术十分有限,因此国内厂商迎来追赶和发展的大好机遇。

同时,第三代半导体器件主要应用于新能源车、光伏和高铁等,未来主战场主要集中在中国,国内不少厂商与车企、家电企业形成配套合作,国产器件逐渐导入终端产品供应链,全方位带动产业发展。第三代半导体成为中国大陆半导体追赶的极佳突破口,业内人士认为,碳化硅有望引领中国半导体进入黄金时代。

政策密集推动

国内厂商加快布局,赛道爆发

近年来,国家高度重视碳基新材料产业创新发展。十四五规划草案及国家多次会议、文件均提及支持和发展碳化硅等产业。

由国务院办公厅印发的《关于促进建材工业稳增长调结构增效益的指导意见》中提出加大推广碳、硅等材料的应用力度,扩大新材料产业规模。

四部委联合印发《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》和《新材料产业发展指南》中均将碳基新材料列为重点支持对象。

针对碳基新材料产业发展,国家出台了《加快推进碳纤维行业发展行动计划》、《加快石墨烯产业创新发展的若干意见》等专项政策,将高性能碳纤维、石墨烯等碳基新材料品种列入《重点新材料首批次应用示范指导目录》中。

今年3月两会期间,全国政协委员提出,第三代半导体是我国2030规划和“十四五”国家研发计划确定的重要发展方向,是我国半导体产业弯道超车的机会,提出要重点扶持、协同攻关第三代半导体产业,在国内重点扶植3-5家世界级龙头企业,加大整个产业链条的合作力度。

与此同时,国家重视及政策利好下,国内企业也迎来发展期,纷纷加快布局。

日前,SiC & GaN功率器件设计和方案商派恩杰官方宣布正式与德国Foxy Power合作组建欧洲&北美销售团队。经第三方机构&全球一线客户实机测试验证,派恩杰产品性能已达国际一流水平。我们争取成为在海外市场最大份额的中国SiC & GaN品牌。”

9月10日,据官方消息称,应用材料宣布推出新的200亳米(8吋)化学机械研磨(CMP)系统,可精确移除晶圆上的碳化硅(SiC)材料,最大化芯片效能、可靠性和产能;且透过这项新的碳化硅芯片「热植入」技术,可在对晶格结构破坏最小的情况下注入离子,进而最大化发电量和组件产能。

应用材料表示,此新产品将协助全球领先的SiC芯片制造商增加产量。从150毫米(6吋)晶圆制造升级为200毫米(8吋)制造,每片晶圆裸晶 (die) 约增加一倍的产量,满足全球对优质电动车动力系统日益增加的需求。

总结

据IHS Markit数据,2018年全球功率半导体市场规模约为391亿美元,预计至2021年市场规模将增长至441亿美元,年化增速为4.1%,中国功率半导体市场需求规模达到138亿美元,占全球需求比例高达35%,2021年市场规模有望达到159亿美元。

从近几年的政府密集推动下,碳基新材料、第三代半导体市场不断有新玩家涌入,市场规模也呈现稳健增长趋势。据CASA数据,2020年,我国第三代半导体整体产值超过7100亿。

硅芯片和SiC芯片的差距正不断缩小,基于碳基新材料的显著特性及行业前景,碳化硅对硅的部分替代是顺应时代和科技发展的必然趋势。业内人士认为,功率半导体或将是实现国产替代最快速的领域。

日本芯片制造商罗姆首席战略官Kazuhide Ino在接受记者采访时表示,芯片制造商一直在共同努力建立SiC市场现阶段SiC芯片制造商已经到了相互竞争的地步。

当下,以SiC 等材料的功率半导体在半导体圈内风头正劲,市场增速加快及国家政策的密集推动下火速出圈。国内厂商聚焦碳化硅、碳基复合材料等第三代半导体材料,加速布局将有望实现半导体领域技术的弯道超车。