赛迪智库丨新基建促进第三代半导体材料市场驶_智库时代杂志社投稿

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赛迪智库丨新基建促进第三代半导体材料市场驶

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由于传统半导体制程工艺已近物理极限，技术研发费用剧增，制造节点的更新难度越来越大，“摩尔定律”演进开始放缓，半导体业界纷纷在新型材料和器件上寻求突破。以新原理、新材料、新结构、新工艺为特征的“超越摩尔定律”为产业发展带来新机遇。第三代半导体是“超越摩尔定律”的重要发展内容。与Si材料相比，第三代半导体材料拥有高频、高功率、抗高温、抗高辐射、光电性能优异等特点，特别适合于制造微波射频器件、光电子器件、电力电子器件，是未来半导体产业发展的重要方向。

第三代半导体在新基建中广泛应用

以第三代半导体为基础制备的电子器件，是支撑新基建中5G基建、新能源汽车充电桩、特高压及轨道交通四大领域的关键核心。

世界多国均在积极发展建设5G。然而，5G网络建设、5G智能手机使用、5G基站建设等方面还处于初步建设阶段，存在较大的发展空间。赛迪顾问统计，截至2020年3月底，全球123个国家的381个运营商宣布过它们正在投资建设5G；40个国家的70个运营商提供了一项或多项符合3GPP标准的5G服务；63个运营商发布了符合3GPP标准的5G移动服务；34个运营商发布了符合3GPP标准的5G固定无线接入或家用宽带服务。赛迪顾问统计，截至2020年2月初，中国已开通了15.6万个5G基站，计划在2020年实现55万个5G基站的建设目标。截至2019年底，韩国计划在其85个城市建设23万个5G基站；美国计划建设60万个5G基站；德国计划建设4万个以上5G基站。GaN材料具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速率大、热导率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成为耐高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。在通信基站应用领域，GaN是未来最具增长潜质的第三代半导体材料之一。与GaAs和InP等高频工艺相比，GaN器件输出的功率更大；与LDCMOS和SiC等功率工艺相比，GaN的频率特性更好，GaN射频器件已成为5G时代较大基站功率放大器的候选技术。

为满足新能源汽车产业的发展需要，自2011年起，新能源汽车充电桩就一直处在快速建设的阶段。新能源汽车充电桩以公共充电桩为主，目前数量最多的经济体分别是中国、欧盟和美国。截至2019年底，美国和欧盟分别约有7.5万个和16.9万个公共充电桩。我国《电动汽车充电基础设施发展指南》规划，到2020年我国分散式充电桩的目标是超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求，车桩比近1∶1。充电模块是充电桩的核心部件，其成本占设备总成本的50%。充电模块可将电网中的交流电转换为可充电的直流电。此外，充电模块不仅能够提供能源电力，还可以对电路进行控制、转换，保证供电电路的稳定性。随着我国新能源汽车市场的不断扩大，充电桩市场发展前景也越来越广阔。SiC功率器件可以实现比Si基功率器件更高的开关频率，具备高功率密度、超小体积的特性。在体积小同时还能支持快速充电的要求下，几台车一起快速充电需要达到几百千瓦的功率，一个电动汽车充电站更是要达到百万瓦的功率，相当于一个小区用电的功率规模。传统的Si基功率器件体积较大，但SiC模块则可以实现以很小的体积满足功率上的“严苛”要求。因此SiC功率器件在充电模块中的渗透率不断增大。

中国由于国土面积较大、电力需求较强，因此中国积极发展特高压建设，且逐渐出口全球。相较于传统高压输电，特高压输电技术的输电容量将提升2倍以上，可将电力送达超过2500千米的输送距离，输电损耗可降低约60%，单位容量造价降低约28%，单位线路走廊宽度输送容量增加30%。由于功率半导体是电力电子的核心器件，因此作为功率半导体材料的SiC在直流特高压供应链中也有很多应用机会。SiC器件可以显著简化固态变压器的电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来提高单位功率密度。SiC器件可以替代LCC中使用的Si基晶闸管，SiCMOS可以替代VSC中使用的IGBT。目前，SiC器件已在中低压配电网启动应用。未来，更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电也将对万伏级以上的SiC功率器件有大量需求。

牵引变流器作为机车大功率交流传动系统的核心装置，为牵引系统提供动力，具有负载特性特殊、运行环境复杂和负载变化大等特点。由于全球城际高速铁路和城市轨道交通处于持续扩张的发展阶段，推动了轨道交通的绿色、智能化发展，也对牵引变流器及牵引电机的小型化、轻量化提出更高要求。将SiC器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大程度地发挥SiC器件耐高温、高频和低损耗的特点，提高牵引变流装置的效率，有利于推动牵引变流器装置的小型化和轻量化发展，有助于减轻轨道交通的载重系统。