关于推动我市第三代半导体产业发展的调研报告

为推动我市第三代半导体产业加快发展、尽快形成优势产业集群,市委财经办组织xxxxxx等企业进行了专题研究,并赴xxxxxx三市开展了专题调研。在此基础上,就我市第三代半导体产业发展提出了工作建议,现将有关情况报告如下:

一、第三代半导体产业基本情况

半导体产业总体情况。半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,在集成电路、消费电子、通信系统、大功率电源转换等领域具有广泛应用。2021年,全球半导体市场规模达5560亿美元,同比增长26.2%。从应用领域来看,半导体在集成电路领域市场规模达4630亿美元,约占全球半导体市场规模的83.3%;其次分别为光电器件、分立器件、传感器领域,市场规模分别为434.2亿美元、303.4亿美元、191.5亿美元,占比分别为7.8%、5.5%、3.4%。从主要消费区域来看,亚太地区约占全球的70%,其中,中国约占全球的35%,是全球最大的半导体单个市场;其次分别为美国、欧洲市场,分别占全球的19%、10%。需要关注的是,中国市场仍在高速增长,2021年销售额突破1900亿美元,同比增长27.1%。从发展历程来看,半导体核心材料按照历史进程可以分为以硅、锗为代表的第一代半导体材料,重点应用在集成电路、电子信息等领域,目前约占总体规模的85%;以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料,重点应用在4G时代的大部分通信设备以及光电领域,目前约占总体规模的5%;以氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石等为代表的第三代半导体材料,主要应用在新能源汽车5G通信、光伏逆变器等领域,近年来呈现高速增长态势,目前约占总体规模的10%。

第三代半导体材料的优势。与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料的优势主要体现在4个方面:一是应用场景广阔,性能更强。第三代半导体采用宽禁带材料,关断时候的漏电电流更小,导通时候的导通阻抗更小,且寄生电容远小于硅工艺材料。在高温、大功率场景中,第三代半导体材料芯片的运行可靠性更强,待机时间更长。二是能量转换效率高,功率损耗小。以新能源汽车为例,相比用传统硅芯片(如IGBT)驱动的电动汽车,用第三代半导体材料芯片(如特斯拉Model3使用的碳化硅芯片)驱动的新能源汽车的能量耗损低5倍左右,电机控制器的体积减少30%,续航里程能够增加5%至10%。三是可以承受更大的功率和更高的电压。第三代半导体材料能够大幅提高产品的功率密度,适应更高功率、更高电压、更大电流的未来电动车的需要。四是应用范围更加广阔。第三代半导体产业具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点,在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。总的来看,采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,还能以较少的电能消耗获得更高的运行能力,能够满足现行5G及新能源汽车等最新应用的需求,正在成为全球半导体产业竞争的新的战略高地。

第三代半导体产业情况。从产业链条来看。第三代半导体产业链主要包括衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,主要用于物理支撑、导热、导电;外延是在衬底材料上生长出来的新半导体晶层,其中碳化硅基氮化镓,被视为第三代半导体未来主流;器件是通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的结构;下游应用市场主要是以新能源汽车、5G通讯、光伏发电、消费类电子产品等。从国际竞争态势来看。目前国外企业在第三代半导体材料端仍然占据显著优势。在碳化硅市场中,美国科锐(CREE)碳化硅衬底市场占有率达到45%,其次为日本的罗姆,国内龙头山东天岳、天科合达合计市场占有率不到10%。在氮化镓市场中,日本住友集团为全球第一大氮化镓衬底厂商,市场占有率为40%,美国科锐(CREE)和威讯联合半导体(Qorvo)紧随其后,市场占有率分别为24%和20%,中国企业在衬底领域仍处于起步阶段。从应用场景来看,目前碳化硅、氮化镓器件的前三大应用领域分别为消费类电源、商业电源和新能源汽车,占比分别为28%、26%和11%。未来相当长一段时间内,随着制备技术进步带来的碳化硅与氮化镓器件成本持续下降,以及800V汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器、数据中心及通讯基站电源等细分领域市场需求持续增加,预计第三代半导体产业将会保持高速增长。

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