作者/朱公子 第三代半導(dǎo)體 我估摸著只要是炒股或者是關(guān)注二級市場的朋友們,這幾天一定都沒少聽這詞兒,如果不是大盤這幾天實在是太慘了,估計炒作行情會比現(xiàn)在強勢的多得多。 那到底這所謂的第三代半導(dǎo)體,到底是個什么玩意?值不值得炒?未來的邏輯在哪兒? 接下來,只要您能耐著性子好好看,我保證給它寫的人人都能整明白,這可比你天天盯著大盤有意思的多了! 一、為什么稱之為第三代半導(dǎo)體? 1、重點詞 客官們就記住一個關(guān)鍵詞——材料,這就是前后三代半導(dǎo)體之間最大的區(qū)別。 2、每一代材料的簡述 第一代半導(dǎo)體材料:主要是指硅(Si)、鍺元素(Ge)半導(dǎo)體材料。
(300MM硅晶原片,用于制作集成電路) 興起時間:二十世紀五十年代。 代表材料:硅(Si)、鍺(Ge)元素半導(dǎo)體材料。 應(yīng)用領(lǐng)域:集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)。 歷史意義:第一代半導(dǎo)體材料引發(fā)了以集成電路(IC)為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。 對于第一代半導(dǎo)體材料,簡單理解就是:最早用的是鍺,后來又從鍺變成了硅,并且?guī)缀跬耆〈?/p> 原因在于:硅的產(chǎn)量相對較多,具備成本優(yōu)勢。技術(shù)開發(fā)更加完善。 但是,到了40納米以下,鍺的應(yīng)用又出現(xiàn)了,因為鍺硅通道可以讓電子流速更快?,F(xiàn)在用的鍺硅在特殊的通道材料里會用到,將來會涉及到碳的應(yīng)用,下文會詳細講解。 第二代半導(dǎo)體材料:以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為代表,是4G時代的大部分通信設(shè)備的材料。
興起時間:20世紀九十年代以來,隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,以砷化鎵、銻化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角。 代表材料:如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb);三元化合物半導(dǎo)體,如GaAsAl、GaAsP;還有一些固溶體半導(dǎo)體,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半導(dǎo)體(又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體),如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體;有機半導(dǎo)體,如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。 應(yīng)用領(lǐng)域:主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。 因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,還被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。 性能升級:以砷化鎵為例,相比于第一代半導(dǎo)體,砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性。 總結(jié):第二代是使用復(fù)合物的。也就是復(fù)合半導(dǎo)體材料,我們生活中常用的是砷化鎵、磷化銦這一類材料,可以用在功放領(lǐng)域,早期它們的速度比較快。 但是因為砷含劇毒!所以現(xiàn)在很多地方都禁止使用,砷化鎵的應(yīng)用還只是局限在高速的功放功率領(lǐng)域。而磷化銦則可以用來做發(fā)光器件,比如說LED里面都可以用到。 第三代半導(dǎo)體材料:以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為四大代表,是5G時代的主要材料。
起源時間:M國早在1993年就已經(jīng)研制出第一支氮化鎵的材料和器件。而我國最早的研究隊伍——中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,在1995年也起步了該方面的研究。 重點:市場上從半年前炒氮化鎵的充電器時,市場的反應(yīng)一直不夠強烈,那是因為當時第三代半導(dǎo)體還沒有被列入國家“十四五”這個層級的戰(zhàn)略部署上,所以單憑氮化鎵這一個概念,是不足以支撐整個市場邏輯的! 發(fā)展現(xiàn)狀:在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應(yīng)用需求的明確牽引下,目前,應(yīng)用領(lǐng)域的頭部企業(yè)已開始使用第三代半導(dǎo)體技術(shù),也進一步提振了行業(yè)信心和堅定對第三代半導(dǎo)體技術(shù)路線的投資。 性能升級:專業(yè)名詞咱們就不贅述了,通俗的說,到了第三代半導(dǎo)體材料這兒,更好的化合物出現(xiàn)了,性能優(yōu)勢就在于耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻射、導(dǎo)電性能更強、工作速度更快、工作損耗更低。 有一點我覺得需要單獨提一下:碳化硅與氮化鎵相比較,碳化硅的發(fā)展更早一些,技術(shù)成熟度也更高一些;兩者有一個很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率:在高功率應(yīng)用中,碳化硅占據(jù)統(tǒng)治地位;氮化鎵具有更高的電子遷移率,因而能夠比碳化硅具有更高的開關(guān)速度,所以在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域,氮化鎵具備優(yōu)勢。 第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用 咱們重點說一說碳化硅。碳化硅在民用領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛:其中電動汽車、消費電子、新能源、軌道交通等領(lǐng)域的直流、交流輸變電、溫度檢測控制等。 咱先舉兩個典型的例子: 1.2015年,豐田汽車運用碳化硅MOSFET的凱美瑞試驗車,逆變器開關(guān)損耗降低30%。 2.2016年,三菱電機在逆變器上用到了碳化硅,開發(fā)出了全世界最小馬達。 而其他軍用領(lǐng)域上,碳化硅更是廣泛用于噴氣發(fā)動機、坦克發(fā)動機、艦艇發(fā)動機、風洞、航天器外殼的溫度、壓力測試等。 為什么我說要重點說說碳化硅呢?因為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石正是芯片,而碳化硅,正因為它優(yōu)越的物理性能,一定是將來最被廣泛使用在制作半導(dǎo)體芯片上的基礎(chǔ)材料! 優(yōu)越的物理性能:高禁帶寬度(對應(yīng)高擊穿電場和高功率密度)、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率。而且,碳化硅MOSFET將與硅基IGBT長期共存,他們更適合應(yīng)用在高功率和高頻高速領(lǐng)域。 這里穿插了一個陌生詞匯:“禁帶寬度”,這到底是神馬東西? 這玩意如果解釋起來,又得引申出如“能帶”、“導(dǎo)帶”等一系列的概念,如果不是真的喜歡,我覺得大家也沒必要非去研究這些,單說在第三代半導(dǎo)體行業(yè)板塊中,能知道這一個詞,您已經(jīng)跑贏90%以上的小散了。 客觀們就主要記住一個知識點吧:對于第三代半導(dǎo)體材料,越高的禁帶寬度越有優(yōu)勢。 主要形式:“襯底”。半導(dǎo)體芯片又分為:集成電路和分立器件。但不論是集成電路還是分立器件,其基本結(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底 -外延-器件”結(jié)構(gòu),而碳化硅在半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料。
(碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)鏈) 生產(chǎn)工藝流程: 原料合成——晶體生長——晶錠加工——晶體切割——晶片研磨——晶片拋光——晶片檢測——晶片清洗 總結(jié):晶片尺寸越大,對應(yīng)晶體的生長與加工技術(shù)難度越大,而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國際碳化硅晶片廠商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片,CREE、II-VI等國際龍頭企業(yè)已開始投資建設(shè)8英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。 應(yīng)用方向:科普完知識、講完生產(chǎn)制造,最終還是要看這玩意兒怎么用,倆個關(guān)鍵詞:功率器件、射頻器件。 功率器件:最重要的下游應(yīng)用就是——新能源汽車! 現(xiàn)有技術(shù)方案:每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車的發(fā)展,對功率器件需求量日益增加,成為功率半導(dǎo)體器件新的增長點。 新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中,涉及到功率器件包括——電機驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載DC/DC)和非車載充電樁。碳化硅功率器件應(yīng)用于電機驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器。 另外還應(yīng)用領(lǐng)域也包括——光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、風力發(fā)電、工業(yè)電源及航空航天等領(lǐng)域。 射頻器件:最重要的下游應(yīng)用就是——5G基站! 微波射頻器件,主要包括——射頻開關(guān)、LNA、功率放大器、濾波器。5G基站則是射頻器件的主要應(yīng)用方向。 未來規(guī)模:5G時代的到來,將為射頻器件帶來新的增長動力!2025年全球射頻器件市場將超過250億美元。目前我國在5G建設(shè)全球領(lǐng)先,這也是對岸金毛現(xiàn)在狗急跳墻的原因。 我國未來計劃建設(shè)360萬臺-492萬臺5G宏基站,而這個規(guī)模是4G宏基站的1.1-1.5倍。當前我國已經(jīng)建設(shè)的5G宏基站約為40萬臺,未來仍有非常大的成長空間。 半導(dǎo)體行業(yè)的核心 我相信很多客官一定有這樣的疑問:芯片、半導(dǎo)體、集成電路,有什么區(qū)別? 1.半導(dǎo)體: 從材料方面說,教科書上是這么描述的:Semiconductor,是常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一類材料; 按功能結(jié)構(gòu)區(qū)分,半導(dǎo)體行業(yè)可分為:集成電路(核心)、分立器件、光電器件及傳感器四大類。 2.集成電路(IC, integrated circuit): 最經(jīng)典的定義就是:將晶體管、二極管等等有源元件、電阻器、電容器等無源元件,按照一定的電路互聯(lián),“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上,從而完成特定的電路或者系統(tǒng)功能。 3.芯片: 半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱,是指內(nèi)含集成電路的硅片,是集成電路的載體,由晶圓分割而成。硅片是一塊很小的硅,內(nèi)含集成電路,它是計算機或者其他電子設(shè)備的一部分。 為什么說集成電路,是半導(dǎo)體行業(yè)的核心?那是因為集成電路的銷售比重,基本保持在半導(dǎo)體銷售額的80%。 比如,2018年全球4700億美元的半導(dǎo)體銷售額中,集成電路共計3900億美元,占比達84%。 第三代半導(dǎo)體的未來方向 中國半導(dǎo)體業(yè)進入IDM模式是大勢所趨,其長久可持續(xù)性我非常認可。但是講到IDM,又有一堆非常容易混淆的概念,篇幅實在是太長了,咱們就不再拆分來講了,你只要知道IDM最牛逼就完事了! IDM:直譯:Integrated Design and Manufacture,垂直整合制造。 1.IDM企業(yè):IDM商業(yè)模式,就是國際整合元件制造商模式。其廠商的經(jīng)營范圍涵蓋了IC設(shè)計、IC制造、封裝測試等各個環(huán)節(jié),甚至也會延伸到下游電子終端。典型廠商:Intel、三星、TI(德州儀器)、東芝、ST(意法半導(dǎo)體)等。 2.IDM模式優(yōu)勢: (1)IDM模式的企業(yè),內(nèi)部有資源整合優(yōu)勢,從IC設(shè)計到IC制造所需的時間較短。 (2)IDM企業(yè)利潤比較高。根據(jù)“微笑曲線”原理,最前端的產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)與最末端的品牌、營銷具有最高的利潤率,中間的制造、封裝測試環(huán)節(jié)利潤率較低。 (3)IDM企業(yè)具有技術(shù)優(yōu)勢。大多數(shù)的IDM企業(yè)都有自己的IP(知識產(chǎn)權(quán)),技術(shù)開發(fā)能力比較強,具有技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。 3.IDM重要性 IDM的重要性是不需要用邏輯去判斷的,全球集成電路市場的60%由IDM企業(yè)所掌握。比如三星電子、恩智浦、英飛凌、NXP等。 4.中國為什么要發(fā)展IDM模式? IDM模式的優(yōu)勢:產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部直接整合、具備規(guī)模效應(yīng)、有效縮短新產(chǎn)品上市時間、并將利潤點留在企業(yè)內(nèi)部。 市場的自然選擇:此外,中國已成為全球最大的集成電路消費市場,并具有豐富的勞動力資源,對于發(fā)展自有品牌的IDM具有市場優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。 現(xiàn)在,無論是被M國的封鎖倒逼出來,還是我們自主的選擇,我們都必須開拓出一條中國IDM發(fā)展之路! 現(xiàn)狀:目前國內(nèi)現(xiàn)有的所謂IDM,其制造工藝水平和設(shè)計能力相當?shù)?,比較集中在功率半導(dǎo)體,產(chǎn)品應(yīng)用面較窄,規(guī)模做不大。我知道,這些事實說出來挺讓人沮喪的,但這就是事實。 但正因為我們目前處在相對落后的階段,才更加需要埋頭苦干、咬牙追趕,然后一舉拿下! 本來寫這篇文章的時候不想說股的,但還是提幾只吧,也算是給咱們國家的半導(dǎo)體事業(yè)做一點點微小的貢獻。 射頻類相關(guān)優(yōu)質(zhì)標的:卓勝微、中天科技、和而泰、麥捷科技; IDM相關(guān)優(yōu)質(zhì)標的:中環(huán)股份、上海貝嶺、長電科技。 關(guān)注、點贊+在看,求求你們了! 寫留言 |
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