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GaN基電力電子器件的研發(fā)與制造項目可行性研究報告
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2021-12-14

1、項目基本情況

第三代半導體材料主要包括 GaN、SiC 等,因其禁帶寬度≥2.3 電子伏特(eV),又被稱為寬禁帶半導體材料。寬禁帶半導體具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高鍵合能等優(yōu)點,具有極強的戰(zhàn)略性和前瞻性,是支撐國防軍備、5G 移動通信、新能源汽車、云計算等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù),在國防安全、節(jié)能減排、智能制造、產(chǎn)業(yè)升級等方面具有重大戰(zhàn)略意義。

寬禁帶功率半導體是功率半導體的重要分支。功率半導體是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的核心器件,分為功率器件與功率集成電路兩大類。功率器件主要有功率二極管、功率三極管、晶閘管、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、SiC 功率器件、GaN 功率器件等。目前,硅基 MOSFET和 IGBT 是功率器件市場規(guī)模最大、增長最快的領(lǐng)域。SiC 由于在功率、熱導率、穩(wěn)定性等方面發(fā)展更成熟,是目前應(yīng)用規(guī)模最大的寬禁帶功率半導體材料。GaN的物理性質(zhì)與 SiC 類似,能隙、飽和電子速度、臨界擊穿電場均高于 SiC,因此被產(chǎn)業(yè)和市場廣泛關(guān)注。雖然全球 GaN 功率器件市場參與者眾多,廠商的設(shè)計和工藝各有特色,但是仍未形成相對統(tǒng)一的技術(shù)標準,不利于大規(guī)模商用和產(chǎn)業(yè)化。隨著智能手機供電系統(tǒng)遇到瓶頸,快速充電器可能成為GaN 率器件的“殺手級”應(yīng)用,推動移動消費電子終端的充電器的歸一化,向汽車電子、數(shù)據(jù)中心等多個應(yīng)用領(lǐng)域擴展。

本項目產(chǎn)品為中低壓系列硅基增強型 p 型柵 GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT),包括 100V、200V、600/650V 三個電壓等級的多種型號,主要面向智能手機、汽車電子、數(shù)據(jù)中心等市場應(yīng)用,具有高開關(guān)頻率、高轉(zhuǎn)換效率、高耐壓強度的技術(shù)特性。本項目通過器件仿真設(shè)計、工藝制程開發(fā)、測試失效分析,建立 GaN 功率器件設(shè)計和工藝 IP 庫。項目建成后,將建立 GaN 功率器件從設(shè)計開發(fā)、外延生長、芯片制造到晶圓測試的完整業(yè)務(wù)鏈,將產(chǎn)品開發(fā)、制造與市場需求緊密結(jié)合,通過更快的產(chǎn)品迭代和穩(wěn)定的良品率,以具有相當市場競爭力的性價比,快速推進 GaN 功率器件的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

本項目建設(shè)期三年,計劃總投資額 31,641.58 萬元,其中擬投入募投資金30,000.00 萬元。本項目預(yù)計將幫助公司實現(xiàn)年均利潤總額 4,247 萬元。

2、項目建設(shè)的背景

(1)高效節(jié)能是社會可持續(xù)發(fā)展永恒主題,半導體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移帶來巨大機遇

高效利用資源是人類社會發(fā)展的永恒主題,而節(jié)約資源是中國的基本國策。節(jié)約與開發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位是中國能源的發(fā)展戰(zhàn)略。雖然當前能源價格低迷、電力與煤炭行業(yè)產(chǎn)能過剩,但資源和環(huán)境壓力仍然是制約中國長期發(fā)展的重要瓶頸,而需求側(cè)的節(jié)能降耗成為重要的解決之道。電力是中國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式的中心,能夠緩解能源供應(yīng)和壞境保護壓力,對中國可持續(xù)發(fā)展意義重大。因此,采用高性能新型功率半導體器件,提高電力電子能源轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)男剩葷M足了實際應(yīng)用的需求,又符合經(jīng)濟效益和環(huán)境保護的要求,有利于全面降低工業(yè)生產(chǎn)活動對電力能源的損耗。

在技術(shù)迭代和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的作用下,半導體產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)分工日益細化,產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)發(fā)生巨大改變,為半導體企業(yè)創(chuàng)造了絕佳的發(fā)展機會。一方面,當前,工藝節(jié)點和成本效益不再延續(xù)摩爾定律發(fā)展,而建立在新興多樣化半導體技術(shù)基礎(chǔ)上的超越摩爾定律,將更高性能、更高集成度、更低成本等優(yōu)勢結(jié)合起來,在產(chǎn)業(yè)和市場中變得越來越重要。另一方面,全球半導體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷第三次轉(zhuǎn)移。目前,中國是全球最大的半導體市場。在國家政策、金融資本、市場需求的驅(qū)動下,全球半導體行業(yè)正在逐漸向中國大陸轉(zhuǎn)移。每次轉(zhuǎn)移都為追趕者創(chuàng)造了切入市場的機會,進而推動整個產(chǎn)業(yè)的革新與發(fā)展。

(2)跨國企業(yè)引領(lǐng)功率器件技術(shù)發(fā)展,第三代半導體材料潮起

功率半導體是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的核心器件,具有變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開關(guān)等用途,分為功率器件與功率集成電路兩大類。功率器件主要有功率二極管、功率三極管、晶閘管、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、SiC 功率器件、GaN 功率器件等。

從全球范圍來看,美國、歐洲和日本功率器件處于世界領(lǐng)先地位,擁有一批具有全球影響力的廠商,如 TI、Linear、Infineon、ST、Toshiba、Renesas 等。中國臺灣發(fā)展迅速后來居上,與歐美廠商的差距進一步縮小。中國功率器件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平和創(chuàng)新能力與國外存在較大的差距,部分高端技術(shù)產(chǎn)品仍大量依賴進口。

目前,MOSFET 和 IGBT 是硅功率器件市場中增長最快產(chǎn)品。由于真空管等傳統(tǒng)硅功率器件無法滿足電源系統(tǒng)對阻斷電壓、開關(guān)頻率等技術(shù)要求,MOSFET和 IGBT 逐步取代了傳統(tǒng)硅功率器件,并在硅物理特性的基礎(chǔ)上進一步提升電氣性能。MOSFET 和 IGBT 都是電壓控制型器件。MOSFET 開關(guān)速度快、損耗小,不易受“熱失控”的影響,但不能做大功率應(yīng)用。IGBT 在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢明顯,但在 600V 以下與 MOSFET 相比在性能和成本上都不具備競爭力。

電子設(shè)備需要更加強大靈活的算力和多元彈性的功能,在越來越多的高速、低延時、高能量的應(yīng)用中,硅正在達到材料本身的物理極限。自硅工藝問世以來,硅晶體管尺寸不斷縮小,硅器件的性能和集成度遵循著摩爾定律向前發(fā)展。隨著MOS 源和柵極溝道的縮短,量子隧穿效應(yīng)不能再被忽略,導致硅平面工藝甚至硅器件到達物理極限。盡管超結(jié)型 MOSFET 通過改進摻雜工藝,進一步提高了MOSFET 的性能,但提升非常有限。

在現(xiàn)有器件結(jié)構(gòu)、晶圓材料和工藝制程的限制下,半導體技術(shù)遇到瓶頸時,工業(yè)界通常會引入新材料來突破局限。第三代半導體材料(寬禁帶半導體材料)主要包括 GaN、SiC、金剛石等,具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高鍵合能等優(yōu)點,可用于高電壓、大功率、高轉(zhuǎn)換效率等場景,滿足電力系統(tǒng)對電力電子器件耐高壓、低功耗的需求,是電力電子領(lǐng)域突破硅物理極限的希望。作為硅器件的替代品,SiC、GaN 器件的市場化受到硅器件成本的挑戰(zhàn)。在襯底、外延快速發(fā)展的情況下,SiC、GaN 的性能指標遠超硅器件,從而在一些重要的能源領(lǐng)域逐步取代硅器件,展現(xiàn)出巨大的市場潛力。

(3)快速充電器可能成為 GaN 器件“殺手級”應(yīng)用

GaN 在未來幾年將在許多應(yīng)用中取代硅,其中,快充是第一個可以大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用。在 600 伏特左右的電壓下,GaN 在芯片面積、電路效率和開關(guān)頻率方面的表現(xiàn)明顯好于硅,因此在壁式充電器中可以用 GaN 來替代硅。5G 智能手機的屏幕越來越大,與之對應(yīng)的是手機續(xù)航的需求越來越高,這意味著電池容量的增加。GaN 快充技術(shù)可以很好地解決大電池帶來的充電時長問題。

2019 年 GaN 功率器件開始進入主流消費電子市場。在 GaN 功率器件用于獨立出售的充電器配件之后,2019 年 11 月 OPPO 宣布 Reno 65W 快速充電器采用GaN HEMT 器件,這是 GaN 功率器件首次進入智能手機原廠的物料單。2020 年2 月,小米發(fā)布采用 Navitas GaN 功率器件的 65W 充電器。2020 年 CES 參展的GaN 充電器已經(jīng)多達 66 款,涵蓋了 18W、30W、65W 和 100W 等多個功率。GaN 功率器件不僅可以通過提高開關(guān)頻率縮小充電器電路體積,由于良好的溫度特性,能夠進一步減少甚至省略散熱片,從而讓大功率快速充電器的體積得到顯著降低。Oppo、小米之后,未來幾年內(nèi),會有更多手機品牌將 GaN 功率器件用于快速充電器,特別是在 100W 以上。

3、項目建設(shè)的必要性

(1)國家政策鼓勵發(fā)展寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)

國家高度重視寬禁帶半導體的研究與開發(fā),很早對 SiC、GaN 等寬禁帶半導體領(lǐng)域的研究進行部署,啟動了一系列重大研究項目和產(chǎn)業(yè)政策的支持。在國家已經(jīng)出臺的《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南(2017 年)》《“十三五”先進制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點產(chǎn)品和服務(wù)指導目錄》《“十三五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《“十三五”國家信息化規(guī)劃》《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020 年)》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力發(fā)展規(guī)劃(2016-2020 年)》《中國制造 2025》《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》中,以 GaN 等為代表的寬禁帶半導體的材料、研發(fā)、制造、設(shè)備、應(yīng)用均被列入發(fā)展重點,得到國家產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持。

2014 年 6 月,國務(wù)院發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》,提出大力發(fā)展模擬及數(shù)?;旌想娐?、高壓電路、射頻電路等特色專用工藝生產(chǎn)線,以工藝能力提升帶動設(shè)計水平提升,以生產(chǎn)線建設(shè)帶動關(guān)鍵裝備和材料配套發(fā)展。2015年 5 月,國務(wù)院發(fā)布《中國制造 2025》,提出突破大功率電力電子器件等關(guān)鍵元器件和材料的制造及應(yīng)用技術(shù),形成產(chǎn)業(yè)化能力。2016 年 11 月,國務(wù)院發(fā)布《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,提升核心基礎(chǔ)硬件攻擊能力,加緊布局后摩爾定律時代芯片相關(guān)領(lǐng)域,推動電力電子等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2016 年 12 月,國務(wù)院發(fā)布《“十三五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,提出加強絕緣柵極型功率管等核心元器件的研發(fā),加快特大功率高壓變頻、無功補償控制系統(tǒng)等核心技術(shù)的應(yīng)用。2017 年 4 月,科技部發(fā)布《“十三五”先進制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》,提出針對碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等為代表的寬禁帶半導體技術(shù)的需求,開展大尺寸寬禁帶半導體材料制備、器件制造、性能檢測等關(guān)鍵裝備與工藝研究。

(2)全球功率半導體市場穩(wěn)步增長,GaN 功率器件市場空間廣闊

① 全球功率半導體市場穩(wěn)步增長,中國是全球最大功率半導體市場

近年來,功率半導體的應(yīng)用領(lǐng)域已從工業(yè)控制和消費電子拓展至新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、變頻家電等諸多市場,全球市場規(guī)模呈現(xiàn)穩(wěn)健增長態(tài)勢。根據(jù) IHS 數(shù)據(jù),2018 年全球功率半導體市場規(guī)模為 391 億美元,預(yù)計到 2021 年市場規(guī)模將增長至 441 億美元,年化增速為 4.1%。中國是全球最大的功率半導體消費市場。根據(jù) IHS 數(shù)據(jù),2018 年中國功率半導體市場規(guī)模達到 138 億美元,增速為 9.5%,占全球市場比例高達 35%。根據(jù) IHS 預(yù)測,到 2021 年中國功率半導體市場規(guī)模將達到 159 億美元,年復(fù)合增長率為 4.8%。中國高端、大功率功率器件長期依賴進口,現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有了很大的突破,有很多正在半導體功率器件上深耕的國產(chǎn)廠商,如比亞迪、士蘭微、吉林華微、華潤微、中環(huán)股份等。

② 產(chǎn)品材料以硅基為主,SiC 為輔,GaN 方興未艾

全球半導體電力電子市場在經(jīng)歷了幾年的平穩(wěn)增長后,開始連續(xù)高速增長。硅基 IGBT 和 MOSFET 市場將繼續(xù)增長,但部分市場將轉(zhuǎn)向 SiC 器件,特別是電動汽車 EV/HEV 模塊。由于硅材料具有天然的成本優(yōu)勢,SiC 材料到 2024 年仍將僅占不到 10%的市場份額。另外,相比較于分立器件,未來幾年,功率模塊的市場份額有望增加。

SiC 是對傳統(tǒng)硅器件的突破。自 SiC 功率器件首次商業(yè)化以來,汽車電源應(yīng)用一直推動著功率 SiC 器件市場的發(fā)展。SiC 自 2018 年特斯拉在其主逆變器中采用 SiC 功率器件開始而引人注目。隨后,采埃孚、博世和雷諾等都宣布在其部分產(chǎn)品中采用碳化硅技術(shù)。SiC 更適用于 50 千瓦以上更大功率的應(yīng)用場景,如汽車、軌道交通等,對于成本并不敏感。從 20 千瓦到 50 千瓦之間,SiC 和 GaN都可以扮演重要角色,而 20 千瓦以下則主要是 GaN 的市場。根據(jù) Yole 預(yù)測,到 2024 年,全球 SiC 功率器件市場規(guī)模將超過 20 億美元,汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)市場份額的 50%以上。

③ GaN 快充應(yīng)用取得實質(zhì)性進展,GaN 功率器件市場高速拓展

GaN 功率器件市場在 2019 年取得了一系列突破性進展,標志著 GaN 功率器件在智能手機中的應(yīng)用開始進入實質(zhì)性量產(chǎn)階段。由于 GaN 充電器具有體積小、發(fā)熱低、功率高、支持 PD 協(xié)議的特點,GaN 充電器有望在未來統(tǒng)一筆記本電腦和手機的充電器市場。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù),2018 年全球 GaN 功率器件市場規(guī)模為0.19 億美元,尚處于應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)展初期,但未來市場空間有望持續(xù)拓展,根據(jù)Yole 預(yù)測,2019 年全球 GaN 功率器件市場增長率為 134%,預(yù)計 2024 年市場價值將超過 3.5 億美元,2018-2024 年的年復(fù)合增長率將達到 85%。

隨著消費電子的充電器向智能手機歸一化,GaN 功率器件逐步從消費電子向汽車電子、數(shù)據(jù)中心等各個應(yīng)用領(lǐng)域擴展。2020 年 2 月,華為發(fā)布新一代MatePad Pro 平板電腦,搭載麒麟 990 5G 芯片,支持 5G 網(wǎng)絡(luò)。此外,平板電腦支持 40W 有線快充和 27W 無線快充,是全球首款雙向無線充電平板。無線充電從手機逐步向平板電腦滲透,產(chǎn)品應(yīng)用日趨多樣化。在智能手機應(yīng)用的帶動下,GaN 功率器件產(chǎn)業(yè)將得到加快發(fā)展,邊際效益的遞增顯著優(yōu)化器件成本和可靠性,便于向汽車電子、數(shù)據(jù)中心等各個應(yīng)用領(lǐng)域的擴展,從而替代硅基 MOSFET的部分中高端應(yīng)用。

圖 全球 GaN 功率器件市場規(guī)模  百萬美元

4、項目建設(shè)的可行性

(1)GaN 功率器件的投資布局符合公司專注于化合物半導體領(lǐng)域的長期發(fā)展戰(zhàn)略

公司是全球領(lǐng)先的 LED 芯片制造商,在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料生長和光電子芯片制備方面,積累了豐富的技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和市場經(jīng)驗,是國內(nèi) LED最大的供應(yīng)商之一。公司擁有全新反應(yīng)腔設(shè)計的 MOCVD 設(shè)備,以及步進式曝光機、PECVD、快速退火爐、金屬蒸鍍機、離子刻蝕機等 GaN 核心工藝設(shè)備。公司擁有眾多科學家和資深工程師,在 GaN 外延生長和芯片工藝上具有豐富理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗,為本項目的實施提供了人才保障。

本項目的建設(shè)能進一步完善公司化合物半導體戰(zhàn)略布局,符合公司專注于高端半導體器件、做大做強產(chǎn)業(yè)鏈的長期戰(zhàn)略布局。

(2)公司擁有堅實的技術(shù)基礎(chǔ),保障募投項目的順利實施

公司依據(jù)多年豐富的 GaN 基 LED 外延芯片研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗,積極展開了在大尺寸硅襯底上的 GaN 材料的生長研究,在 Si 襯底預(yù)處理、高鋁組分 AlGaN緩沖層設(shè)計和生長以及 GaN 厚膜生長方面取得了較好的結(jié)果,并在 GaN 器件所需的高二維電子氣濃度的 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)外延方面積累了豐富的經(jīng)驗,同時公司在 AlGaN/GaN HEMT 器件的設(shè)計,以及在刻蝕、電極蒸鍍等單項工藝上等方面形成了良好的工藝基礎(chǔ)。對所取得的成果積極進行申請專利,對技術(shù)創(chuàng)新進行保護。

公司立足現(xiàn)有 GaN 研發(fā)和制造基礎(chǔ)和客戶基礎(chǔ),聚焦智能手機、汽車、L數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域?qū)?GaN 功率器件的市場需求,為客戶提供高性價比的 GaN 功率器件產(chǎn)品及應(yīng)用支持,向化合物半導體的多元化產(chǎn)品領(lǐng)域拓展。公司積極與北京大學、華南理工大學、中科院微電子所、中科院半導體所等國知名高校及科研院所,就 GaN 功率器件技術(shù)和應(yīng)用開展合作,迅速提升 GaN 功率器件制造技術(shù)能力。目前,公司計劃與 IMEC、SHARP、Fuji Electric 等掌握核心專利但在 GaN領(lǐng)域不是很活躍的廠商合作,獲取 GaN 功率器件的核心設(shè)計和工藝專利授權(quán)。公司積極推行業(yè)務(wù)國際化策略,與日本、臺灣地區(qū)等化合物設(shè)計廠商建立互利互惠的合作關(guān)系,逐步向中國終端廠商和海外市場滲透。

綜上所述,公司具備實施本項目的堅實技術(shù)基礎(chǔ),保障本項目的順利實施。

5、項目建設(shè)內(nèi)容、主要產(chǎn)品

(1)項目建設(shè)內(nèi)容

本項目建設(shè)內(nèi)容為中低壓 GaN 功率器件的開發(fā)和量產(chǎn)。本項目主要采用自主建設(shè)的方式,建設(shè)期為三年,計劃分三年進行投入。

(2)項目主要產(chǎn)品

本項目將實現(xiàn)中低壓 GaN 功率器件產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化,建立 GaN 功率器件從設(shè)計開發(fā)、外延生長、芯片制造到晶圓測試的完整業(yè)務(wù)鏈。本項目開發(fā)按照從低壓到高壓、從低能量密度到高能量密度的次序分階段有計劃進行,開發(fā)的 GaN功率器件包括 100V、200V、600/650V 三個電壓等級。本項目量產(chǎn)按照調(diào)試貫通、風險試產(chǎn)、規(guī)模量產(chǎn)的次序分階段有計劃進行。量產(chǎn)以 Si 晶圓為襯底材料,采用 0.25um 工藝制程,制造中低壓 GaN 功率器件,主要有 WLCSP 和 QFN 兩種封裝形式。項目建成后,實現(xiàn)年產(chǎn) 1.33 萬片 6 英寸晶圓(折合 4 英寸 3 萬片)的生產(chǎn)規(guī)模。

6、項目投資計劃

本項目計劃總投資 31,641.58 萬元。工程費用為 25,141.58 萬元,占總投資的79.46%,其中場地裝修 1,000.00 萬元,生產(chǎn)設(shè)備購置及安裝 21,861.36 萬元,公共工程 2,280.22 萬元;工程化試制費用 2,000.00 萬元,占總投資的 6.32%;IP 知識產(chǎn)權(quán)費 2,000.00 萬元,占總投資的 6.32%;基本預(yù)備費 500.00 萬元,鋪底流動資金為 2,000 萬元,共占總投資的 7.90%。

7、項目備案事項

截至本預(yù)案出具日,本項目的可行性研究報告已編制完畢,相關(guān)立項備案已經(jīng)完成。

8、項目效益評價

本項目預(yù)計年均利潤總額 4,247 萬元,內(nèi)部收益率(稅后)等主要指標如下:

由此可見,本項目經(jīng)濟效益良好且具有一定的抗風險能力,因此,該項目具有經(jīng)濟可行性。此報告為正式可研報告摘取部分,個性化定制請咨詢思瀚產(chǎn)業(yè)研究院。

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