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第三代半导体发展历程:比亚迪与斯达半导们的红与黑

2021-10-14 10:03
锦缎
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本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。 作者孙不悟空,在雪球设有同名专栏。

作为半导体产业的系列研究内容,本文主要从基础原理以及发展历史入手,对第一、二、三代半导体的变迁脉络、原因、用途予以还原。同时就市场对三代半导体可能存在的一些误解进行纠偏,并就相关上市公司龙头进行简单介绍。

具体框架及内容如下:

目录:

(一)半导体、晶体管与芯片

(二)第一、二、三代半导体的变迁

(三)市场误解:二代半导体替代一代,三代半导体替代二代?

(四)我国第三代半导体的发展机遇与龙头公司

01

半导体、晶体管与芯片

千里之行,始于足下。首先我们来了解下常说的半导体、集成电路、芯片、集成电路到底是什么。

1833年,被誉为“电学之父”的英国物理学家法拉第,在实验中发现硫化银这种材料的电阻随着温度上升而降低,即高温更有助于导电,这是半导体特性的首次发现。此后的五十年里,光生伏特效应、整流效应、光电导效应也先后被欧洲科学家发现,这就是半导体的四大特性。

具有戏剧性的是,半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用,意指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。

到了今天,半导体发展已经相对完善,用途主要有集成电路、光电器件、分立器件、传感器四个方面。

其中,集成电路包括微处理器、存储器、逻辑器件、模拟器件等种类,共计占半导体器件80% 以上的份额,因此通常将半导体和集成电路等价。而一种类型集成电路或多种类型集成电路形成的产品,我们将其称作芯片。

所以,半导体、集成电路、芯片三者的关系,可总结为半导体>集成电路≈芯片,或简单看作半导体≈集成电路=芯片。

而另一个常听到的名词,晶体管,泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。因此,它在半导体与芯片之间起到桥梁搭建的关键作用,由半导体材料制造出了晶体管,由晶体管组成了芯片。

这种作用源于一个朴素的真理。因为晶体管具备通过电信号来控制自身开合的能力,这与逻辑的基本构成元素是逻辑0和逻辑1不谋而合,即晶体管可用开关的断开和闭合来代表逻辑0和1,最终实现繁杂广袤的运算和功能,不禁让人啧啧称奇。

除了自身硬核逻辑外,在现代科技史里,半导体、晶体管、集成电路、芯片的发展也有着莫名的趣味和缘分。

1947年,前文所说的半导体四大特性由美国贝尔实验室总结完成;同年,贝尔实验室也研制出一种点接触型的锗晶体管,实验室三名人员肖克利、巴丁、布拉顿因此在1956年同时获得诺贝尔物理学奖,其中,肖克利更被誉为“晶体管之父”。

取得此等成就的肖克利,已经不满足于在贝尔实验室沉寂,且半导体带来的巨大商业变革,他看在眼里,急在心里。

因而,1955年,肖克利回到了自己的家乡圣塔克拉拉谷,创办了属于自己的半导体公司。这条位于旧金山湾区、坐拥地中海温润气候、交通便利的狭长山谷即是后来名声赫赫的“硅谷”。

肖克利带来了硅谷的开始,却没能走完它风光的全部。

在股票投资和生活中,不难发现,聪明的人不一定是能办好企业的管理人,因为过于聪明往往会忽略分享的重要性。肖克利就是这样一个独掌大权,搞一言堂的一把手,难以得到众人的支持,终于暗自没落。

仅仅过了两年,当初追随他的优秀年轻人就有八位愤然离职,并称“硅谷八叛将”,在谢尔曼·菲尔柴尔德的投资下他们成立了传奇的仙童半导体公司。仙童发展神速,发明了半导体平面工艺和硅集成电路,盈利能力大幅展现,仙童后来也成为众多半导体巨头诞生的“黄埔军校”。

1968年,硅谷八叛将之首的诺依斯和“摩尔定律”的提出者摩尔离开仙童,创办了更为风光、鼎鼎大名的英特尔。所谓摩尔定律,就是摩尔提出,集成电路芯片上所集成的晶体管数目,每隔18个月就翻一倍。

此后,半导体的时代大幕正式拉开,为人熟知的英特尔、TI、三星高通英伟达等大佬各领风骚,国内的紫光、海思、中芯也开始崭露头角。

02

第一、二、三代半导体的变迁

在市场中,第三代半导体已经成为投资者关注的焦点之一,本文希望从战略发展的主线看问题,因此这一部分将梳理半导体材料的三个发展阶段,以求有一个更清晰的脉络认知。

【1】第一代半导体

第一代半导体是“元素半导体”,锗(Ge)和硅(Si)是两个代表性材料。

在20世纪50年代,锗基半导体器件占据主导地位,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,到了60年代,硅基半导体因为相对优良的耐高温、抗辐射性能、低廉的价格和庞大的储量,逐步取代锗基,成为主流,延续至今。目前,全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的,技术十分成熟,市场规模高达4000多亿美元。

而在半导体材料市场,硅片也占到35%左右,市场空间约为80亿美元。硅片领域日本非常强大,我国的6英寸硅片国产化率约为50%,8英寸硅片国产化率仅为10%,12英寸硅片则几乎完全依赖于进口,还有很大国产替代前景。

总之,以硅为核心的第一代半导体材料,直接促进了以芯片为主的微电子产业飞升,在手机、电脑、消费电子、通信、航空航天、国防军工、光伏等领域广泛应用。

虽然第一代半导体可以制做复杂的功耗较低的逻辑芯片,但受限于硅的自身性能,硅基半导体难以在高温、高频、高压等环境中使用,并且其禁带宽度、电子迁移率较低,在半导体产业化过程中遇到瓶颈,由此催生了化合物半导体,即第二代、第三代半导体的发展。

【2】第二代半导体

进入20世纪90年代后,如上文所说,高频传输和光学领域的场景对半导体材料的禁带宽度、电子迁移率要求提高,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚,其中GaAs技术最为成熟,应用最广。

GaAs、InP可以制造高速、高频、大功率的超高速集成电路、高性能微波、毫米波器件、激光器和发光电子器件,开拓了光纤及移动通信的新产业,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光纤通信、无线区域网络、卫星定位、国防军工、航空航天等领域。

在5G时代和物联网高速发展下,GaAs的产业市场规模已达数百亿美元,但全球GaAs半导体制造商市场份额最大的五家企业为Skyworks、triquint、RFMD、Avago、穏懋,共约占全球总额的65%,大陆企业仍不具备足够的竞争力。

【3】第三代半导体

来到21世纪,现代工业对高功率、高电压、高频率电子器件的需求陡增,这对半导体材料的禁带宽度、击穿电场强度、电子饱和速率、热导率等关键参数提出了更加严苛的要求。在此情况下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料脱颖而出,即我们常说的第三代半导体。

如我所做上表,所谓的宽禁带半导体是指禁带宽度大于或等于2.3电子伏特的半导体材料。此类半导体还具有高击穿电场强度、高饱和电子漂移速率、高热导率等优势,在功率半导体、新能源汽车、光伏风电、半导体照明、5G基站、特高压、光电子等领域有不可替代优势,为世界电子产业发展注入了新动力。

SiC和GaN作为两个最核心的第三代半导体材料,也有着自己独特的优越性和应用前景。

首先看SiC,这是目前综合性能最好、商品化程度较高、技术最为成熟的第三代半导体材料。SiC单晶材料可分为导电型衬底和半绝缘衬底两种,在导电型SiC衬底上生长SiC外延层制得的SiC外延片,可进一步制成功率器件,并应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;在半绝缘型SiC衬底上生长GaN外延层制得的SiC基GaN外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通讯、雷达军工等领域。

SiC材料制成的器件还有减少能源损耗、提高能源转换效率的突出优点。

例如,应用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;应用在光伏领域,可降低光电转换损失25%以上;应用在风力发电领域,可提高效率20%;应用在超高压直流输送电和智能电网领域,可使电力损失降低60%,同时供电效率提高40%以上;

应用在家电领域,可节能50%;应用在高铁领域,可节能20%以上,并减小电力系统体积;应用在工业电机领域,可节能30%-50%;应用在通信领域,可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性;应用航空航天领域,可使设备的损耗减小30%-50%,工作频率提高3倍,电感电容体积缩小3倍,散热器重量大幅降低。

其中,新能源汽车是SiC增长最快、空间最大的应用场景。特斯拉在Model 3中使用SiC逆变器能够提升5-10%的续航,节省400-800美元的电池成本,与新增200美元的SiC器件成本抵消后,能够实现至少200美元的单车成本下降,目前全球已有超过20家汽车厂商开始采用SiC器件。

未来,在以新能源汽车为第一驱动力的多行业推动下,据Yole数据预计,SiC功率器件市场规模将从2018年的4亿美金增加到2024年的50亿美金,复合增速约51%。SiC衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金,复合增速达44%。

SiC的市场格局是美国、欧洲、日本三足鼎立,我国厂商与国际龙头CREE、Dow Dcorning、Nippon等公司还存在较大差距,道阻且长。

再看GaN,在GaN单晶衬底上生长的GaN称为同质外延片,但有熔点高、衬底制作难、位错缺陷密度较高导致良率低等缺点,因而制造成本高、技术进展慢、应用领域窄。另一种为异质外延片,指GaN生长在其他衬底材料上,主要包括用于制作功率器件和小功率射频器件的硅基GaN、用于制作大功率LED、功率器件和大功率射频芯片的碳化硅基GaN。

可见,GaN器件在通信射频和光电行业前景卓越。

通信这方面,GaN器件可以在1-110GHz范围的高频波段应用,这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段,适合军事通讯、电子干扰、通信基站、射频与功率器件等领域;

光电方面,GaN是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系,适合电力电子、LED照明、激光等领域,与普通人最相关的莫过于GaN快充头,相同的体积可实现数倍功率的对电脑、手机充电。

与SiC一样,第三代半导体GaN下游需求旺盛,身处产业爆发时期,据Yole测算,从2018到2024年,GaN功率器件市场规模将从约900万美金飞升到3.5亿美金,年复合增速85%,GaN射频器件市场规模将从约6亿美金增加到约20亿美金,年复合增速21%。

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