聽了太多關(guān)于國產(chǎn)半導(dǎo)體行業(yè)被卡脖子、追趕、彎道超車的故事，當(dāng)一個新興半導(dǎo)體領(lǐng)域讓國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能同全球巨頭們站在同一起跑線時，是否能讓人高興乃至興奮呢？
注：“第三代半導(dǎo)體”并非準(zhǔn)確描述，行文暫用只是為了理解方便，正文會有詳解。
碳化硅晶體，圖片來源天科合達官網(wǎng)
01
振奮人心：有望超車的半導(dǎo)體新材料
在多個環(huán)節(jié)被卡脖子的半導(dǎo)體領(lǐng)域，有這樣一個被稱為“中國大陸半導(dǎo)體希望”的存在——“第三代半導(dǎo)體”！
眾所周知，半導(dǎo)體材料是信息技術(shù)的核心基礎(chǔ)材料，一代材料、一代技術(shù)、一代產(chǎn)業(yè)，半個多世紀(jì)來從基礎(chǔ)技術(shù)層面支撐了信息技術(shù)翻天覆地的變化，推動了電子信息科技產(chǎn)業(yè)可持續(xù)蓬勃發(fā)展。
第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）半導(dǎo)體材料，興起于二十世紀(jì)五十年代，被廣泛地應(yīng)用于消費電子、通信、光伏、軍事以及航空航天等多個領(lǐng)域。目前，硅材料依然占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，大多數(shù)的半導(dǎo)體器件及集成電路產(chǎn)品還是使用硅晶圓來制造，硅器件占到了全球銷售的半導(dǎo)體產(chǎn)品的 95%以上。
第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）為主的化合物半導(dǎo)體，其主要被用于制作高頻、高速以及大功率電子器件，主要應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊以及光通信等領(lǐng)域。
“第三代半導(dǎo)體”材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為化合物半導(dǎo)體。相對于差距較大的第一、第二代半導(dǎo)體，我國“第三代半導(dǎo)體”和國際巨頭基本處于同一起跑線，加上中國有“第三代半導(dǎo)體”的應(yīng)用市場，可以根據(jù)市場定義產(chǎn)品，而不是像之前跟著國際巨頭做國產(chǎn)化替代，完全具備彎道甚至直線超車的可能！
02
技術(shù)優(yōu)勢明顯：大勢所趨的“第三代半導(dǎo)體”
如果說第1代半導(dǎo)體材料奠定了微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，第二代半導(dǎo)體材料奠定了信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，那么“第三代半導(dǎo)體”材料將是提升新一代信息技術(shù)核心競爭力的重要支撐。
與前兩半導(dǎo)體材料相比，“第三代半導(dǎo)體”材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對半導(dǎo)體材料提出的高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
圖片來源，光大證券研究所
通過上圖，我們可以清晰了解三代半導(dǎo)體材料在應(yīng)用上的差異，而在具體電氣性能原理方面，“第三代半導(dǎo)體”應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面——
1.三代半導(dǎo)體材料之間的主要區(qū)別是禁帶寬度。現(xiàn)代物理學(xué)描述材料導(dǎo)電特性的主流理論是能帶理論，能帶理論認(rèn)為晶體中電子的能級可劃分為導(dǎo)帶和價帶，價帶被電子填滿且導(dǎo)帶上無電子時，晶體不導(dǎo)電。當(dāng)晶體受到外界能量激發(fā)（如高壓），電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，晶體導(dǎo)電，此時晶體被擊穿，器件失效，禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力。“第三代半導(dǎo)體”的禁帶寬度是第一代和第二代半導(dǎo)體禁帶寬度的近3倍，具有更強的耐高壓、高功率能力。
圖片來源，CREE官網(wǎng)
2.“第三代半導(dǎo)體”材料能量密度更高。以氮化鎵為例，其形成的HEMT器件結(jié)構(gòu)中，其能量密度約為5-8W/mm，遠(yuǎn)高于硅基MOS器件和砷化鎵射頻器件的0.5-1W/mm的能量密度，器件可承受更高的功率和電壓，在承受相同的功率和電壓時，器件體積可變得更小。
圖片來源，CREE官網(wǎng)
而在整個“第三代半導(dǎo)體”材料體系中，碳化硅有望成為破局關(guān)鍵。
在具體的應(yīng)用領(lǐng)域，半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)分為襯底、外延和器件結(jié)構(gòu)。襯底通常起支撐作用，外延為器件所需的特定薄膜，器件結(jié)構(gòu)即利用光刻刻蝕等工序加工出具有一定電路圖形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
由于“第三代半導(dǎo)體”的氮化鎵生長速率慢，反應(yīng)副產(chǎn)物多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，大尺寸單晶生長困難，目前氮化鎵單晶生長尺寸在2英寸和4英寸，相比碳化硅難度更高。因此“第三代半導(dǎo)體”目前普遍采用熱導(dǎo)率更高的碳化硅作為襯底材料，在高壓和高可靠性領(lǐng)域選擇碳化硅外延，在高頻領(lǐng)域選擇氮化鎵外延。
圖片來源天科合達IPO招股書
在半導(dǎo)體襯底材料領(lǐng)域，碳化硅襯底器件具有體積小、能量損失更小、應(yīng)用空間廣闊等特點。“第三代半導(dǎo)體”目前主流器件形式為碳化硅基－碳化硅外延功率器件、碳化硅基－氮化鎵外延射頻器件，用以實現(xiàn) AC->AC（變壓器）、AC->DC（整流器）、DC->AC（逆變器）、DC->DC（升降壓變換器），碳化硅器件更適合高壓和高 可靠性情景，應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域，氮化鎵器件更適合高頻情況，應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。
03
落地需求旺盛：數(shù)字基建打開成長空間
目前“第三代半導(dǎo)體”器件已經(jīng)迅速進入了新能源汽車、光伏逆變、5G 基站、PD 快充等應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅主要 應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域，氮化鎵器件主要應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。2020 年我國“第三代半導(dǎo)體”產(chǎn)業(yè)電力電子和射頻電子總產(chǎn)值超過 100 億元，同比增長 69.5%。其中，SiC、GaN 電力電子產(chǎn)值規(guī)模達 44.7 億元， 同比增長 54%；GaN 微波射頻產(chǎn)值達到 60.8億元，同比增長 80.3%。
碳化硅功率器件被廣泛應(yīng)用于新能源汽車中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車載充電機和充電 樁等，光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域。受益新能源汽車的放量，碳化硅功率器件市場將快速增長。 根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2018年和2024年碳化硅功率器件市場規(guī)模分別約4億和50億美金，復(fù)合增速約51%，按照該 復(fù)合增速，2027年碳化硅功率器件市場規(guī)模約172億美金。
圖片來源，CREE官網(wǎng)
碳化硅襯底材料市場增速快。受益新能源汽車的放量和5G建設(shè)應(yīng)用的推廣，碳化硅襯底材料市場規(guī)模有望實現(xiàn)快速增長。 根據(jù)Yole統(tǒng)計，碳化硅襯底材料市場規(guī)模將從2018年的1.21億美金增長到2024年的11億美金，復(fù)合增速達 44%。按照該復(fù)合增速，2027年碳化硅襯底材料市場規(guī)模將達到約33億美金
同時，根據(jù)Omdia的《 2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導(dǎo)體的銷售收入預(yù)計8.54億美元。未來十年的年均兩位數(shù)增長率，到2029年將超過50億美元。
圖片來源，Omdia的《 2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報告》
此外，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，到2024年SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將增長至20億美元，其中，汽車市場占SiC功率半導(dǎo)體市場比重到2024年預(yù)計將達50%。對于如此龐大的市場和半導(dǎo)體行業(yè)基礎(chǔ)的存在，各家半導(dǎo)體企業(yè)自然不肯落后于人。
04
積極布局的國際巨頭：擴產(chǎn)與并購
面對正在快速崛起的“第三代半導(dǎo)體”市場，科銳、意法半導(dǎo)體、羅姆、安森美、英飛凌、Qorvo、住友、恩智浦、三菱電機等傳統(tǒng)半導(dǎo)體行業(yè)巨頭們正在不斷通過擴大產(chǎn)能、合作結(jié)盟或兼收并購等方式在“第三代半導(dǎo)體”市場跑馬圈地、加速布局。
如碳化硅晶圓材料主要供應(yīng)商科銳，正在進行大規(guī)模擴產(chǎn)。2019年5月，科銳宣布將投資10億美元用于擴大SiC碳化硅產(chǎn)能，建造一座200mm碳化硅生產(chǎn)工廠（North Fab）和一座材料超級工廠（mega factory），將帶來碳化硅晶圓制造產(chǎn)能的30倍增長和碳化硅材料生產(chǎn)的30倍增長。
氮化鎵材料方面亦然，據(jù)日刊工業(yè)新聞2019年11月報道，為了搶攻5G服務(wù)相關(guān)商機，住友化學(xué)旗下子公司SCIOCS將使用于基地臺用高頻元件的氮化鎵外延晶圓產(chǎn)能提高至2017年的3倍水平。
上游材料廠商大幅擴產(chǎn)的同時，中游企業(yè)則不斷與其合作以期鎖定材料產(chǎn)能。近兩年來，英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美等企業(yè)相繼與科銳簽署了碳化硅晶圓長期/多年供應(yīng)協(xié)議。
2020年初，意法半導(dǎo)體還與羅姆旗下碳化硅晶圓廠商SiCrystal GmbH達成碳化硅晶圓長期供應(yīng)協(xié)議；3月，GTAT和安森美簽署協(xié)議，GTAT將向安森美生產(chǎn)和供應(yīng)CrystX碳化硅材料，安森美將使用GTAT專有的150mm碳化硅晶體來制造碳化硅晶圓。
圖片來源，英飛凌官網(wǎng)
除了提前鎖定上游材料貨源，英飛凌等IDM廠商或器件廠商還采取了收購、合作等方式，整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈資源以加速布局。
英飛凌早于2018年11月收購了擁有碳化硅晶圓冷切割技術(shù)的初創(chuàng)公司Siltectra；2019年12月，意法半導(dǎo)體完成收購瑞典碳化硅晶圓廠商Norstel AB；2020年3月，意法半導(dǎo)體再宣布收購法國氮化鎵創(chuàng)新企業(yè)Exagan公司的多數(shù)股權(quán)。再如前不久，II-VI Incorporated宣布收購碳化硅外延晶片和器件企業(yè)Ascatron AB的所有已發(fā)行股份。
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國內(nèi)企業(yè)：依托應(yīng)用市場實現(xiàn)超車
縱觀全球“第三代半導(dǎo)體”領(lǐng)域，CREE是全球碳化硅市場龍頭企業(yè)，占據(jù)導(dǎo)電型SiC襯底市場62%的份額，其碳化硅襯底產(chǎn)品包括4英寸至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型，8英寸產(chǎn)品 且已成功研發(fā)并開始建設(shè)生產(chǎn)線，但過國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)上國內(nèi)的差距并不是很大，中芯國際創(chuàng)始人張汝京曾公開演講表示過，中國在“第三代半導(dǎo)體”技術(shù)上，有望實現(xiàn)直道超車，這也是為何高層如此重視這一領(lǐng)域的原因。
國內(nèi)三安光電子公司三安集成承接化合物半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，布局砷化鎵、氮化鎵、碳化硅、光通訊和濾波器五大板塊。三安集成 2018-2020年收入分別為1.71、2.41、9.73億元。公司碳化硅業(yè)務(wù)布局襯底、外延、器件全產(chǎn)業(yè)鏈，主要應(yīng)用在光伏和儲能等領(lǐng)域，應(yīng)用包括服務(wù)器電源、礦機電源、新能源汽車等領(lǐng)域，而天科合達和山東天岳分別是國內(nèi)導(dǎo)電性SiC襯底和半絕緣型SiC襯底龍頭，6寸襯底也開始規(guī)模化生產(chǎn)或者開始建設(shè)產(chǎn)線。
圖片來源，光大證券研究所
除了諸多“第三代半導(dǎo)體”企業(yè)迅速成長外，中國已經(jīng)是全球最大的新能源汽車市場，2019年中國新能源汽車銷量116萬輛，占據(jù)全球54%，車用功率器件市場增量巨大，為SiC功率電子器件與模塊產(chǎn)業(yè)帶來巨大的發(fā)展空間，更讓國內(nèi)“第三代半導(dǎo)體”企業(yè)擁有寬松的成長空間。
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切不可捧殺：為“第三代半導(dǎo)體”正名
捧殺，無疑是毀掉一個人最好的方式。“同一起跑線”的說法讓我國“第三代半導(dǎo)體”產(chǎn)業(yè)擁有了同全球先進半導(dǎo)體企業(yè)一較高低的希望，但希望并不意味著就可以盲目自信甚至自大。
實際上，“第三代半導(dǎo)體”不是第一代和第二代半導(dǎo)體的升級，它們是并存關(guān)系，各有各的應(yīng)用場景和優(yōu)勢。第一代半導(dǎo)體是以硅材料為主，也是當(dāng)下大眾討論最普遍的半導(dǎo)體概念，它廣泛應(yīng)用在手機、電腦、電視等領(lǐng)域，比如英特爾的CPU、華為的麒麟芯片都采用硅基的半導(dǎo)體技術(shù)。第二代半導(dǎo)體以砷化鎵、銻化銦為代表，主要是功率放大，用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、導(dǎo)航等領(lǐng)域。
“第三代半導(dǎo)體”以氮化鎵、碳化硅為代表的化合物半導(dǎo)體，主要面向三個市場：光電子、電力電子和微波射頻，更通俗一點說，像手機快充、新能源車、軌道交通和國家電網(wǎng)等是民用領(lǐng)域的幾大市場。
國內(nèi)提出“第三代半導(dǎo)體”這個概念，主要是跨領(lǐng)域交流和工作匯報，因為行業(yè)術(shù)語有時讓人理解困難。但這個詞很容易也讓人們產(chǎn)生一種錯覺：第三代比第一代強。實際上，這類半導(dǎo)體材料在國際上的通用說法叫做“寬禁帶”，指的是禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料。而在工信部等相關(guān)文件中和十四五規(guī)劃里都稱為“寬禁帶”半導(dǎo)體，而非“第三代半導(dǎo)體”。
龐大的終端應(yīng)用市場加上過去十余年間持續(xù)投入，我國在“第三代半導(dǎo)體”領(lǐng)域同國外先進企業(yè)的差距的確很小，但很小并不代表完全沒有差距或者軟肋。以碳化硅為例，最核心的問題是基礎(chǔ)材料，比如高純的碳粉和硅粉，我們在提純技術(shù)上有差距；而在碳化硅設(shè)備里，我們?nèi)狈Ω呒兊氖釄寮夹g(shù)；做器件的時候，我們的光刻機、光刻膠也是個問題。碳化硅半導(dǎo)體的制造設(shè)備仍較多依賴進口，特別是“外延爐、離子注入機”等造價昂貴且有門檻的設(shè)備，動輒幾百萬上千萬元人民幣，主要還是靠買國外的，而氮化鎵也面臨類似問題。
總體而言，國內(nèi)想要在“第三代半導(dǎo)體”領(lǐng)域有所建樹并不難，但想要擁有完整的體系，并在系統(tǒng)體系上形成優(yōu)勢或超越，恐怕還有很長的路要走，這或許也是強鏈、補鏈、延鏈的意義。
