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深圳可行性研究报告——氮化镓单晶衬底项目
作者:思创策划咨询    发布于:2022-02-12 16:09:19    文字:【】【】【

项目背景分析

市场背景

1.全球半导体产业规模发展呈上升式态势

近年以来,氮化物半导体产业的发展已经呈现出美日、欧盟、中国三足鼎立的战略布局,其中美国及日本发展较早,具有一定的先发优势。2013 年5月奥巴马政府明确提出将氮化物半导体列为“制造业创新”三大支撑技术之一,这将进一步加速基于氮化物半导体技术的新兴产业发展。2020年全球半导体制造设备销售总额达712亿美元,年增19%,创历史新高。中国大陆首次成为全球最大的半导体设备市场,销售额增长39%,达到187.2亿美元。我国的氮化物半导体微电子、光电子产业经过多年积累,在工艺技术、装备技术已逐步赶上发达国家的水平。目前我国已经成长为第三代半导体产业的应用大国,但是在产业链的上游和中游仍缺乏整体竞争优势,仅在若干关键技术环节上取得突破。为了进一步在第三代半导体产业形成竞争优势并达到领先地位,必须要在上游的衬底材料、中游的外延生长和器件工艺制备两个关键环节取得突破。

2.国内半导体产业已经规模发展,在发展中寻求新突破

我国对第三代半导体产业的重视起源于国家能源战略,推进GaN晶片的研发和产业化,开发基于氮化镓同质衬底器件是我国实现照明产业、微电子产业跨越式发展、争夺高端应用市场的重要战略举措。由于我国是后进国家,每年在半导体行业投下大量资金,而且经费不断上升,但依旧扮演着新进追赶者的角色,与国际领先技术依然存在代差。但经过多年发展,我国已经在氮化物半导体产业领域取得一定成绩。未来我国将持续投入,在国家多方面支持下,国内半导体行业有望进一步发展。同时随着中国经济的发展和现代化、信息化的建设,我国已成为带动全球半导体市场增长的主要动力,多年来市场需求保持快速增长。

3.国内公司致力于半导体创新研究与开发

国际上生长大尺寸、自支撑GaN 单晶衬底材料的主流技术为氢化物气相外延(HVPE),它可将位错密度降低到106~107 cm-2。目前国际上仅有日本住友、古河机械金属、三菱化学已可以出售标准2 英寸HVPE 制备GaN 衬底,厚度450 微米左右,位错密度106~107cm-2。与此同时,日本住友也开展了4 英寸GaN 自支撑衬底的开发,取得了初步的突破。此外,美国Cree、Kyma 等公司也完成了2 英寸自支撑GaN 衬底材料的开发。中国的GaN晶片的研制从“九五”、“十五”、“十一五”持续得到了国家863项目、自然基金项目的支持,南京大学、中科院半导体所、北京大学等在HVPE研究方面取得很大进展。由于没有成熟的商业化生长设备,高品质的厚氮化镓晶片生长难度太大,在产业应用方面一直没有能够取得关键突破。目前,国内极少公司已在封锁中逐渐形成自主技术。

政策背景

第三代半导体材料行业是我国重点鼓励发展的产业,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性和基础性产业。近年国家层面的政府部门发布了多项关于半导体行业、半导体材料行业的支持、引导政策,鼓励半导体产业大力发展。

十三五期间,第三代半导体已被列为国家面向2030年重大项目之一。围绕重点基础产业、战略性新兴产业和国防建设对新材料的重大需求,加快新材料技术突破和应用。发展先进功能材料技术,重点是第三代半导体材料等技术及应用。

2016年至今,中华人民共和国科学技术部先后支持第3代半导体和半导体照明相关研发项目32项,其中,2018年启动7项,包括“新能源汽车”、“战略性先进电子材料”以及“智能电网技术与装备”3个重点专项。且结合了具体应用需求,对第3代半导体材料、器件研发和应用给予全面支持。并且2018年以来,从中央到地方政府对集成电路、第3代半导体均给予了高度重视,纷纷出台相关产业发展扶持政策。

2019年12月,国家级战略《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》明确要求加快培育布局第三代半导体产业,推动制造业高质量发展。2020年8月,《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》指出国家鼓励的集成电路设计、装备、材料、封装、测试企业和软件企业,自获利年度起,第一年至第二年免征企业所得税,第三年至第五年按照25%的法定税率减半征收企业所得税。2021年,我国把大力支持发展第三代半导体产业写入了“十四五”规划,提到GaN的应用仅小范围应用,将大力推动其应用于更多科技产业。

从政策的出台部门和发布时间密度可以看出,国家正在大力发展半导体产业,是各级政策的支持重点。

规划背景

1、2021年3月13日,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》出台,提出要加强原创性引领性科技攻关,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。其中“集成电路”领域,特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体也就是行业人士关注的第三代半导体要取得发展。

2、2018年2月9日,安徽省人民政府办公厅印发《安徽省半导体产业发展规划(2018—2021年)》,以坚持立足优势、统筹规划、突出重点、集聚发展的原则,构建出了“一核一弧”的半导体产业空间分布格局。要求发展高端电力电子功率器件(GaN),探索布局GaN等化合物半导体材料及器件生产线,满足高功率、高频率、高效率等特殊应用需求。池州市是作为半导体产业发展弧的主体城市之一,要持续推动半导体分立器件的制造、封装测试等,实现产值突破,形成产业规模。省内其他城市要结合产业基础,支持配套产业发展,拓展应用领域,逐渐融入“一核一弧”半导体产业链条。

技术背景

回顾半导体产业的发展历程,其先后经历了以硅(Si)为代表的第一代半导体材料,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料。在上个世纪,这两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。而如今,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料被统称为第三代半导体材料。作为新一代半导体照明的关键器件,第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。第三代半导体材料已展现出极其重要的战略性应用价值,有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈,创新开拓时代需求的新技术领域,不仅在信息领域,而且进入到能源领域发挥极为重要的作用。从应用范围来说,第三代半导体领域还具有学科交互性强、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、新能源汽车、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。作为一类新型宽禁带半导体材料,第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点:如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力,被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”,是光电子和微电子等产业的“新发动机”。

产品市场分析

市场规模

1.2020年中国半导体产业快速发展,处于国际领先地位

2020年,国内半导体材料在各方共同努力下,部分中高端领域取得突破。2020年全球半导体市场逐渐回暖,根据美国SIA公布数据显示,2020年1-10月份全球半导体市场销售额为3555亿美元,同比增长4.6%。根据WSTS的预测数据显示,2020年全球半导体销售额将达到4330亿美元,同比增长5.9%。从全球主要区域半导体市场销售情况来看,根据SIA公布的数据显示,2020年1-10月中国大陆地区半导体产业销售额为1230亿美元,同比增长4.3%,占全球的比重达35%,亚太地区(除日本、中国大陆)半导体产业销售额为961亿美元,同比增长1.5%,占全球的比重为27%。2020年1-10月美洲地区半导体产业销售额增长,属于恢复性上升,而中国大陆地区半导体产业的销售额已经接近历史最高点,继续引领全球市场的规模提升。

2.各产业发展需求增加,第3代半导体产业努力前进发展

2020年第三代半导体产值7032 亿元,具备了全创新链的研发能力,初步形成了从材料、器件到应用的全产业链。中国第三代半导体正迎来发展的窗口期。第三代半导体方面,功率及射频半导体解决有无,性能和制造能力亟待提升。双循环模式推动国产化替代。2020年中国SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)电力电子和微波射频产值预计将约为70亿元。中国的GaN微波射频产业产值2020年将达到33.75亿元,比去年的26.15亿元将增长29%;SiC、GaN电力电子产业产值2020年将达到35.35亿元,比去年的29.03亿元将增长21.77%。另一方面,市场规模扩大,5G加速推进GaN射频应用迅猛增长,2020年中国GaN射频器件市场规模约170亿元;新能源汽车及消费电子成为突破口,2020年中国电力电子器件应用市场规模58.2亿元。我国在第三代半导体方面有一定的技术基础,有广大的应用市场,未来五年将是我国第三代半导体技术和产业飞速发展的重要窗口期。第三代半导体的自立自强,可以支撑“高质量”发展。支撑能源与环境所面临的严峻挑战,支撑以互联网为标志的新一代信息技术的可持续发展,支撑智能化为代表的制造业升级和高质量发展。

3.国内企业稳步扩产,陆续开通产线不断提升产能

美国以国家安全为由,联合欧美、日本等发达国家,实施对中国等发展中国家的高端技术封锁,我国半导体领域的海外并购之路艰难。此外,“中兴事件”更揭露了我国在半导体等核心技术方面的缺失,为摆脱受制于人的卡脖子局面,真正实现信息安全领域的自主可控,国内半导体自主创新发展需求迫切。在政策和资金的大力支持下,2018年,国内第3代半导体产业化进程不断深入,企业积极扩产,多条产线(中试线)获得启用。

市场发展前景

1.第3代半导体在国内已成各行业实现跨越式发展的重要因素

第3代半导体因其优越的性能和在国民经济、国防安全、社会民生等领域的广泛应用,成为国际社会科技竞争的焦点之一。当前,我国已开始全球最大、最复杂、发展最快的能源互联网建设,已建和在建全球最高运营速度、最长运营里程、最佳效益的高速轨道交通,并正在发展全球增长最快的新能源汽车,全球最大规模的5G移动通信,以及全球产能最大、市场最大的半导体照明产业。所有上述应用都需要第3代半导体材料和器件的支撑。第3代半导体自主可控发展需求迫切。中国半导体产业该如何发展是一个复杂的问题,涉及到战略目标设定、产业定位、技术路线、发展路径、金融支持、人才培养与集聚等多方面。在当前国际国内新形势下,中国第3代半导体产业实现“自主可控”发展具有一定基础也具有可行性。

2.项目发展为5G开发时代奉献出自身的力量

目前国内半导体材料总体上形成了以龙头企业为载体,平台配合推进验证的能力,具备了一定的产业基础、技术积淀,以及人才储备,部分细分材料领域紧追国际水平。但是,先进技术节点材料市场整体仍被国外垄断,国产材料突破较少,关键环节核心材料空白,影响了整个产业安全。半导体产业加速向中国大陆转移,中国正成为主要承接地,将加大对国产半导体材料的投入力度,新一轮的资本介入,将助力半导体材料国产化率提升速度。项目的稳定前行发展将为我国的5G开发时代奉献出自身的力量,在确定的发展目标下,国内半导体材料业必将笃定前行。

项目建设必要性分析

1.项目建设符合我国的重要发展战略,助力产业实现弯道超车

中国是半导体产业大国,半导体产业是国家基础产业,是国家命脉产业。随着电子制造业向中国转移,中国半导体行业得到快速发展。国家为推动半导体产业进一步发展、鼓励企业创新研发,出台相关政策扶持该产业向前发展。近年出了多个政策及行业规划对半导体产业发展提出相关建议。我国功率半导体为重点的电力电子产业在2016-2020年期间,需要在以下技术和产业进行重点布局,并制定关键材料和关键器件的相关技术标准。半导体产业顺应网络化、智能化、融合化等发展趋势,加强信息技术核心产业的发展。全面梳理和加快推动信息技术关键领域新技术研发与产业化,推动电子信息产业转型升级取得突破性进展。同时在新出台的“十四五规划”中也重点提及了GaN,将作为重点项目大力推动发展。氮化镓写入十四五规划,意味着这一产业将在未来的发展中获得国家层面的大力扶持,加速以氮化镓为代表的第三代半导体产业大规模实现技术自主可控;并有望成为我国打破欧美发达国家在第二代半导体领域技术垄断的突破口,缓解以美国为首的发达国家对我国半导体产业发展形成的压力,最终完成弯道超车。

2.项目终将替代传统半导体材料,满足市场更高要求

近些年,全球光电通讯技术飞速发展,传统半导体材料已经成了半导体行业发展的桎梏。由传统材料制成的半导体器件,由于材料本身的限制已经达到发展极限,难以满足当今对功率半导体性能的需求。为了满足现代信息光电子产业发展的需求,我们急需大力研发第三代宽禁带半导体材料。以GaN为主要代表的第三代半导体以更高的击穿电压、更高的热导率、更高的电子饱和漂移速率和更高的抗辐射能力,开始在军事、航空航天、LED照明等领域崭露头角。近年来全球光电通讯技术飞速发展,传统半导体材料已经成了半导体行业发展的桎梏。由传统材料制成的半导体器件,因为材料本身的限制已经达到发展极限,难以满足当今对功率半导体性能的需求。现代信息光电子产业的需求日益增长,项目急需大力研发第三代宽禁带半导体材料填补市场缺口。Yole公司近期出的关于GaN材料的市场规模调研报告中指出,GaN材料将会在未来将近50年中成为半导体领域的主导。

3.项目实施对安徽省当前及未来产业发展的促进作用

项目发展符合安徽省对当前及未来产业发展的发展规划,目前安徽省池州市正大力推进半导体产业发展,集中火力攻向集成电路,以发展高端电力电子功率器件(GaN)为主要任务之一。GaN单晶衬底将为半导体照明、平板及激光显示、智能电网、微波通讯作为产业发展提供基础支撑材料。通过GaN核心技术突破,必将促进GaN下游产业的发展,形成巨大的产业集群,对安徽省当前及未来的产业发展具有重要的意义。GaN材料生产技术的创新突破填补国内在氮化镓晶片生长装备技术、核心元器件工艺技术等方面的空白,实现具有自主知识产权的产品技术路线和商业盈利模式,提升安徽品牌的核心竞争力。并且项目促进安徽成为全国第三代半导体产业发展高地,引领未来产业的快速发展。氮化镓晶片的发展必将为安徽营造一个理想的技术环境、产业环境、融资环境和人才环境,为未来的产业发展奠定了良好的基础。

4.项目的实施运行将会带来丰厚的经济利润

硅和砷化镓等传统半导体材料衬底片由于技术成熟和产量巨大,导致价格较低。而高质量的GaN衬底片和GaN外延片由于光通信市场和LED照明市场的整体利好和迅猛增长,产量供不应求,同时相比于传统半导体材料来说,本项目产品利润率高。项目运行后可提高产品产量满足市场需求,同时在市场交易中为企业获取丰厚的营业利润。

5.项目有助于带动上下游相关产业链发展,增加就业机会

项目发展除少数管理人员和关键岗位技术人员由企业解决外,新增员工均由当地招工解决,项目建成后,将为当地提供大量就业机会,吸收当地相关专业新毕业大学生就业,可促进当地经济和谐发展;此外,GaN材料在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、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。项目运营实施后可带动相关行业上下游产业的发展,为提高中国综合国力产生巨大而深远影响,对于搞活国民经济、增加国民收入、提高国民生活水平有着非常重要的意义。

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