近日，被稱為“終極功率半導(dǎo)體”、使用金剛石的電力控制用半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)取得進(jìn)展。日本佐賀大學(xué)教授嘉數(shù)教授與精密零部件制造商日本Orbray合作開(kāi)發(fā)出了用金剛石制成的功率半導(dǎo)體，并以1平方厘米875兆瓦的電力運(yùn)行。

在金剛石半導(dǎo)體中，輸出功率值為全球最高，在所有半導(dǎo)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(dǎo)體的碳化硅（SiC）產(chǎn)品和氮化鎵（GaN）產(chǎn)品相比，金剛石半導(dǎo)體耐高電壓等性能出色，電力損耗被認(rèn)為可減少到硅制產(chǎn)品的五萬(wàn)分之一。金剛石功率半導(dǎo)體的耐熱性和抗輻射性也很強(qiáng)，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(bào)中表示，半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(shì)，被普遍認(rèn)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(lái)，CVD法人造金剛石可通過(guò)晶圓拼接方式制作大面積單晶晶圓，作為半導(dǎo)體芯片襯底可完全解決散熱問(wèn)題及利用金剛石的多項(xiàng)超級(jí)優(yōu)秀的物理化學(xué)性能，制造第四代“終極半導(dǎo)體”。

王華君指出，隨著5G通訊時(shí)代全面展開(kāi)，金剛石單晶材料在半導(dǎo)體、高頻功率器件中的應(yīng)用日益凸顯，目前全球各國(guó)都在加緊金剛石在半導(dǎo)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(chǔ)能力相當(dāng)于10億張藍(lán)光光盤(pán)。

在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)一直由歐、美、日等外資巨頭牢牢占據(jù)著主導(dǎo)地位，隨著近年來(lái)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(chǎng)，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(dǎo)體，國(guó)內(nèi)都有企業(yè)布局。


功率半導(dǎo)體品類眾多，市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)452 億美元

從發(fā)展歷程來(lái)看，20世紀(jì)50年代，功率二極管、功率三極管面世并應(yīng)用于工業(yè)和電力系統(tǒng)；20世紀(jì)60至70年代，晶閘管等半導(dǎo)體功率器件快速發(fā)展；20世紀(jì)70年代末，平面型功率MOSFET發(fā)展起來(lái)；20世紀(jì)80年代后期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半導(dǎo)體功率器件正式進(jìn)入電子應(yīng)用時(shí)代；20世紀(jì)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(yīng)用需求。

技術(shù)演進(jìn)方面，隨著社會(huì)電氣化程度的不斷提高，功率半導(dǎo)體器件從早期簡(jiǎn)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(yīng)用需求和復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，器件設(shè)計(jì)及制造難度逐漸提高。

以功率MOSFET為例，技術(shù)驅(qū)動(dòng)的性能提升主要包括三個(gè)方面：更高的開(kāi)關(guān)頻率、更高的功率密度以及更低的功耗。為了實(shí)現(xiàn)更高的性能指標(biāo)，MOSFET器件主要經(jīng)歷了工藝進(jìn)步、器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)與使用寬禁帶材料等幾個(gè)方面的演進(jìn)。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(kāi)關(guān)效率；在器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，功率器件經(jīng)歷了平面（Planar）、溝槽（Trench）、超級(jí)結(jié)（Super Junction）等器件結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)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(dǎo)體功率器件采用了碳化硅（SiC）、氮化鎵(GaN)材料，進(jìn)一步提升了器件的開(kāi)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(dǎo)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(kāi)關(guān)器件，相比于功率三極管、晶閘管等電流控制型開(kāi)關(guān)器件，具有易于驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)速度快、損耗低等特點(diǎn)，逐漸成為功率器件的主流產(chǎn)品，目前二者合計(jì)占比約為71%。

市場(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)，2020年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 452 億美元，其中功率 IC 市場(chǎng)規(guī)模為 243 億美元，功率器件市場(chǎng)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(chǎng)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(jìn)，據(jù)其預(yù)測(cè)到2024年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到522億美元。

作為全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，2020年中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到172 億美元，占全球市場(chǎng)比例高達(dá)38%。預(yù)計(jì)未來(lái)中國(guó)功率半導(dǎo)體將繼續(xù)保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，2024 年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到206 億美元。


國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體，開(kāi)啟黃金十年

IGBT市場(chǎng)爆發(fā)

2022年中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期。

根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)最新統(tǒng)計(jì)顯示，2022年中國(guó)新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，產(chǎn)銷分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)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(shí)海外如歐洲和美國(guó)的電動(dòng)車市場(chǎng)也開(kāi)始進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，他們會(huì)優(yōu)先保障本土供應(yīng)。因此，在供需偏緊的情況下，國(guó)產(chǎn)IGBT廠商在車載IGBT領(lǐng)域的替代進(jìn)程加速。

2021年底，時(shí)代電氣、士蘭微和華虹半導(dǎo)體等廠商的IGBT產(chǎn)能相繼投產(chǎn)，相關(guān)企業(yè)利潤(rùn)也迅速增厚。比如：斯達(dá)半導(dǎo)、士蘭微、比亞迪半導(dǎo)體、時(shí)代電氣、宏微科技、華潤(rùn)微、新潔能等半導(dǎo)體企業(yè)IGBT業(yè)務(wù)均實(shí)現(xiàn)了極大提升，車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)品在市場(chǎng)上也實(shí)現(xiàn)了極大突破。

根據(jù)DIGITIMES Research統(tǒng)計(jì)與分析，2022年IGBT因電動(dòng)車與光伏發(fā)電市場(chǎng)的強(qiáng)勁需求，在供應(yīng)端產(chǎn)能有限的情況下，整體供需缺口達(dá)13.6%。對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，IGBT是近年來(lái)半導(dǎo)體和電動(dòng)汽車的布局熱點(diǎn)，不過(guò)至今車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率仍然較低。


MOSFET營(yíng)收超億

MOSFET器件具有開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低中高壓的電路中，是覆蓋電壓范圍最廣，下游應(yīng)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(yīng)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(chǎng)。在供給優(yōu)化與需求增加的雙重驅(qū)動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)車規(guī)級(jí)功率器件廠商開(kāi)始加速進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈。

目前士蘭微、安世半導(dǎo)體在 MOSFET 市場(chǎng)份額上位列國(guó)內(nèi)廠商前列。此外，華潤(rùn)微、揚(yáng)杰科技、蘇州固锝、華微電子、新潔能、東微半導(dǎo)、捷捷微電等國(guó)內(nèi)廠商近年來(lái)在車規(guī)級(jí) MOSFET 領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。

以士蘭微、華潤(rùn)微、揚(yáng)杰科技為代表的 IDM 公司已覆蓋高壓超級(jí)結(jié)產(chǎn)品，并逐步擴(kuò)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(tái)開(kāi)發(fā)；華潤(rùn)微2022年Q1高壓超結(jié)產(chǎn)品收入超億元；揚(yáng)杰科技2022年Q1汽車 MOS 訂單實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。

在設(shè)計(jì)公司端，東微半導(dǎo)、新潔能為代表的 MOSFET 廠商發(fā)展迅速：東微半導(dǎo) 2022年Q1高壓超結(jié) MOS 產(chǎn)品收入占比達(dá) 78.1%，車載充電機(jī)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(dá) 13%。

SiC持續(xù)加碼

SiC作為第三代半導(dǎo)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(dǎo)率高、飽和電子漂移速率高、抗輻射性能強(qiáng)、熱穩(wěn)定性和化學(xué)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(chǎng)，已成為中國(guó)功率半導(dǎo)體廠商的必爭(zhēng)之地。目前斯達(dá)半導(dǎo)車規(guī)級(jí) SiC MOSFET 模塊開(kāi)始大批量裝車應(yīng)用，并新增多個(gè)使用車規(guī)級(jí) SiC MOSFET 模塊的主電機(jī)控制器項(xiàng)目定點(diǎn)；三安光電、華潤(rùn)微等企業(yè)在 SiC 二極管、SiC MOSFET 等器件領(lǐng)域已逐步實(shí)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(jìn)展。

面對(duì)市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)變，功率半導(dǎo)體被認(rèn)為是中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起的可能突破口之一，中國(guó)廠商也投入了大量資金進(jìn)行布局，相關(guān)計(jì)劃也陸續(xù)傳出進(jìn)度更新的消息。