第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

9月19日，英諾賽科蘇州第三代半導(dǎo)體基地舉行設(shè)備搬入儀式，基地已進(jìn)入量產(chǎn)準(zhǔn)備階段。此前，三安光電斥巨資在長沙建設(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園，哈勃科技投資有限公司也出手投資了國內(nèi)領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體材料公司?！巴顿Y熱”的戲碼頻繁上演，表明第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

格局呈美歐日三足鼎立態(tài)勢

由于基于硅材料的功率半導(dǎo)體器件的性能已接近物理極限，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體憑借其優(yōu)異的材料物理特性，在提升電力電子器件性能等方面展現(xiàn)出了巨大潛力。

特性優(yōu)越、應(yīng)用廣泛的第三代半導(dǎo)體材料吸引了國內(nèi)外企業(yè)紛紛對其加碼搶灘，而碳化硅和氮化鎵無疑是第三代半導(dǎo)體發(fā)展的核心方向。

全球SiC的產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立的態(tài)勢。美國的科銳、德國的英飛凌、日本的羅姆這三家公司占據(jù)了全球SiC市場約70%的份額，其中科銳、羅姆實(shí)現(xiàn)了從SiC襯底、外延、設(shè)計(jì)、器件及模塊制造的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

SiC的產(chǎn)業(yè)鏈主要由單晶襯底、外延、器件、制造和封測等環(huán)節(jié)構(gòu)成。在全球SiC產(chǎn)業(yè)鏈中，美國占據(jù)全球SiC市場70%～80%的產(chǎn)量，擁有科銳、道康寧、II-VI等在SiC生產(chǎn)上極具競爭力的企業(yè)。歐洲在SiC產(chǎn)業(yè)鏈的單晶襯底、外延、器件等環(huán)節(jié)均有布局，擁有較完整的SiC產(chǎn)業(yè)鏈。歐洲在該領(lǐng)域內(nèi)的代表公司有英飛凌、意法半導(dǎo)體等，且主流器件生產(chǎn)廠商采用IDM模式。日本則是設(shè)備、器件方面的領(lǐng)先者，羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)等公司在業(yè)內(nèi)舉足輕重。

GaN的產(chǎn)業(yè)鏈中也包含了襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造和封測等環(huán)節(jié)。在GaN產(chǎn)業(yè)鏈中，國際巨頭公司仍占主導(dǎo)地位。據(jù)了解，英飛凌的CoolGaN已可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；安森美與Transphorm共同開發(fā)并推廣了基于GaN的產(chǎn)品和電源系統(tǒng)方案；美國EPC公司是首個(gè)推出增強(qiáng)型GaN FET的公司;意法半導(dǎo)體則是射頻硅基氮化鎵行業(yè)的領(lǐng)先者，目前正在擴(kuò)大6英寸硅基氮化鎵的產(chǎn)能，并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展至8英寸晶圓;臺積電、英特爾等也開始涉足于該領(lǐng)域，進(jìn)行硅基氮化鎵的代工開發(fā)。

賽迪顧問股份有限公司新材料產(chǎn)業(yè)研究中心副總經(jīng)理?xiàng)钊鹆障蛴浾呓榻B，除了科銳、II-IV等公司，新日鐵柱金、Aymont、昭和電工、住友電氣、住友化學(xué)、三菱化學(xué)、古河電氣、Kyma、日立金屬和Monocrystal等廠商也在生產(chǎn)并提供第三代半導(dǎo)體材料。

目前國內(nèi)也有不少企業(yè)在生產(chǎn)、提供第三代半導(dǎo)體材料。楊瑞琳表示，天科合達(dá)、世紀(jì)金光、山東天岳、河北同光等國內(nèi)廠商在第三代半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)方面有所布局。其中，采取IDM模式生產(chǎn)器件和模塊的企業(yè)有泰科天潤、瑞能半導(dǎo)體。

仍面臨著亟待突破的技術(shù)難題

半導(dǎo)體材料的生長離不開單晶襯底，理想的襯底材料可以提升外延膜的晶體質(zhì)量、提高半導(dǎo)體器件的工作效率和工作壽命等，因此襯底材料的優(yōu)化也是半導(dǎo)體器件制作過程中非常關(guān)鍵的一個(gè)步驟。

由于大尺寸的襯底可以有效降低器件的生產(chǎn)成本，并且更加易于加工，追求大尺寸的襯底已經(jīng)成為了第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。在SiC襯底的研發(fā)進(jìn)程方面，國內(nèi)外企業(yè)的步調(diào)基本一致。

現(xiàn)階段，SiC襯底的主流尺寸是4～6英寸，8英寸襯底已由國外的科銳公司研制成功。楊瑞琳指出，當(dāng)前國外廠商科銳已全面轉(zhuǎn)向了6英寸SiC產(chǎn)品，6英寸產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程進(jìn)展順利。科銳首批8英寸SiC襯底預(yù)計(jì)于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

與此同時(shí)，我國廠商也實(shí)現(xiàn)了6英寸SiC單晶襯底的小規(guī)模量產(chǎn)，并計(jì)劃盡快實(shí)現(xiàn)8英寸襯底的量產(chǎn)?！澳壳皣鴥?nèi)外企業(yè)均研制出了8英寸SiC襯底，因此國內(nèi)外企業(yè)針對SiC襯底的研發(fā)進(jìn)程幾乎相同。”楊瑞琳說。

而在GaN襯底材料的研發(fā)方面，國內(nèi)外廠商的進(jìn)程仍然相同。楊瑞琳表示，目前國外廠商SiC基GaN的外延材料正在逐步向6英寸過渡，而我國用于微波射頻器件的SiC基GaN外延材料也在逐步向6英寸發(fā)展。在Si基GaN外延材料方面，當(dāng)前的主流尺寸為6英寸，而國內(nèi)廠商用于電力電子器件的Si基GaN外延已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了6英寸材料的產(chǎn)業(yè)化，并完成了8英寸材料的樣品研發(fā)。

雖然國內(nèi)外企業(yè)在第三代半導(dǎo)體襯底材料方面的研發(fā)進(jìn)程相同，在產(chǎn)品的整體工藝水平和質(zhì)量方面，國內(nèi)外企業(yè)還存在著技術(shù)代差。因此，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還面臨著一些亟待突破的難題。

以SiC襯底材料為例，目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的襯底材料質(zhì)量還相對薄弱，主要用于生產(chǎn)10A以下小電流產(chǎn)品。而在SiC外延方面，國內(nèi)部分公司已經(jīng)具備提供4、6英寸的外延片的能力，但是高質(zhì)量、厚外延的量產(chǎn)技術(shù)仍被科銳、昭和等少數(shù)國外企業(yè)掌握。正如西安電子科技大學(xué)教授張玉明所言，我國還需提高SiC晶圓的尺寸和質(zhì)量，制造工藝柵界面調(diào)控技術(shù)還需加強(qiáng)，成品率也需進(jìn)一步提升。賽迪顧問分析師呂芃浩曾表示，除了要降低襯底缺陷，提高良率，做到大尺寸、低成本之外，SiC缺陷密度、外延工藝效率低、摻雜工藝的特殊要求、配套材料的耐溫等問題也需要盡快解決。

另外，我國GaN材料在綜合指標(biāo)、器件性能等方面也需進(jìn)一步提升。經(jīng)過三十多年的發(fā)展歷程，歐美日等國的企業(yè)已形成了較為成熟的GaN產(chǎn)業(yè)體系，而我國由于起步較晚，技術(shù)積累還存在不足。呂芃浩認(rèn)為，GaN高質(zhì)量、大尺寸籽晶獲取問題是目前需要破解的難題之一。

應(yīng)避免投資熱后的“繁花落盡”

隨著新能源汽車市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，SiC在該領(lǐng)域的商業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)開始。英飛凌科技大中華區(qū)高級副總裁兼汽車電子事業(yè)部負(fù)責(zé)人曹彥飛告訴記者，SiC商業(yè)化的價(jià)值在于提升整個(gè)汽車系統(tǒng)的效率，并在汽車?yán)锍淘黾拥耐瑫r(shí)減少電池成本，以彌補(bǔ)SiC與IGBT的價(jià)差?！爱?dāng)SiC用于主逆變器，在800伏系統(tǒng)之下，我們已經(jīng)仿真。根據(jù)主機(jī)廠驗(yàn)證結(jié)果，它提升了約7%的續(xù)航里程，這體現(xiàn)了SiC商業(yè)化的價(jià)值?！辈軓╋w還透露，當(dāng)前以英飛凌為代表的廠商在車載充電機(jī)、主逆變器等領(lǐng)域均有相應(yīng)的SiC產(chǎn)品推出，并且產(chǎn)品還會不斷更新迭代。

為把握SiC日益增長的市場需求，很多國內(nèi)廠商也在加緊布局第三代半導(dǎo)體SiC生產(chǎn)線。日前，華潤微宣布國內(nèi)首條6英寸商用SiC晶圓生產(chǎn)線正式量產(chǎn);我國SiC全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)線已落地長沙高新區(qū);鄭州航空港實(shí)驗(yàn)區(qū)管委會等機(jī)構(gòu)和公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，將在鄭州航空港實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)第三代化合物半導(dǎo)體SiC生產(chǎn)線。

5G商用進(jìn)程的不斷推進(jìn)也使從基站端到終端的射頻需求加速增長。作為實(shí)現(xiàn)5G的核心材料，到2025年，GaN在射頻器件領(lǐng)域的占比將超過50%，未來10年GaN的市場規(guī)模有望超過30億美元。目前，國外廠商意法半導(dǎo)體正在與MACOM合作，瞄準(zhǔn)全球5G基站應(yīng)用，希望鞏固在第三代半導(dǎo)體市場的領(lǐng)先地位。

為了在5G市場搶得先機(jī)，國內(nèi)廠商研發(fā)GaN產(chǎn)業(yè)的熱度只增不減。國內(nèi)廠商三安集成和海威華芯具有量產(chǎn)GaN功率器件的能力，而海威華芯則是能提供6寸GaAs/GaN微波集成電路的純晶圓代工服務(wù)制造企業(yè)。此外，海陸重工參股10%的江蘇能化微擁有國內(nèi)首條8英寸GaN單晶生產(chǎn)線。進(jìn)入量產(chǎn)準(zhǔn)備階段的英諾賽科蘇州第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目建成后將成為全球最大的集研發(fā)、設(shè)計(jì)、外延生產(chǎn)、芯片制造、測試等于一體的第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)生產(chǎn)平臺。

當(dāng)前，國內(nèi)廠商對第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研發(fā)熱情高漲。但當(dāng)“投資熱”過后，產(chǎn)業(yè)是否會從“一哄而上”變?yōu)椤盁o人問津”?

為了避免投資熱過后的“繁花落盡”，國內(nèi)企業(yè)需要正視市場需求，通過提升核心技術(shù)把握市場的新機(jī)遇。賽迪智庫集成電路研究所副所長朱邵歆告訴記者，由于第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈長、鏈條環(huán)節(jié)多，產(chǎn)業(yè)鏈的末端面臨著最大風(fēng)險(xiǎn)。在沒有明確客戶的情況下，過早擴(kuò)充產(chǎn)能會造成資源浪費(fèi)等問題，因此企業(yè)需要先了解市場需求，再進(jìn)行定制化生產(chǎn)。國內(nèi)企業(yè)要注重產(chǎn)品質(zhì)量和關(guān)鍵技術(shù)水平的提升，而不是盲目投資產(chǎn)線。

朱邵歆表示，地方政府在相關(guān)項(xiàng)目落地前，應(yīng)委托在集成電路和第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域有深厚產(chǎn)業(yè)研究積累和案例的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，對產(chǎn)品市場方向、技術(shù)團(tuán)隊(duì)能力、投資經(jīng)費(fèi)等進(jìn)行第三方評估，以解決項(xiàng)目落地前的信息不對稱問題，避免不符合地方發(fā)展需求和實(shí)際情況的項(xiàng)目落地。