碳化硅，氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料爆發(fā)！

當(dāng)前先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國家戰(zhàn)略層面，2025年目標(biāo)滲透率超過50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，《中國制造2025》分別對第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃。

先進(jìn)半導(dǎo)體成為當(dāng)今世界發(fā)展的重要基石，也影響著各國半導(dǎo)體行業(yè)的地位。而中國政府正在規(guī)劃將大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入“十四五”規(guī)劃之中，計(jì)劃在2021到2025年的五年之內(nèi)，舉全國之力，在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等等各個方面對第三代半導(dǎo)體發(fā)展提供廣泛支持，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨(dú)立自主。下一個五年的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略包括向無線網(wǎng)絡(luò)到人工智能等技術(shù)領(lǐng)域投入約1.4萬億美元。

在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國產(chǎn)化率達(dá)到50%;在新能源汽車、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場滲透率達(dá)到80%以上。

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段，目前已經(jīng)發(fā)展形成了三代半導(dǎo)體材料。

第一代半導(dǎo)體材料是以主要是指Si、Ge元素半導(dǎo)體，它們是半導(dǎo)體分立器件、集成電路和太陽能電池的基礎(chǔ)材料，但是硅基芯片經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)正在逐漸接近材料的極限，硅基器件性能提高的潛力也越來越小。

第二代半導(dǎo)體材料主要是指如砷化鎵、銻化銦等化合物半導(dǎo)體材料。其中以砷化鎵(GaAs)為代表，砷化鎵擁有一些較硅要好的電子特性，可以用在高于250GHz的場合，并且砷化鎵比同樣的硅基器件更適合運(yùn)用在高功率的場合，可以運(yùn)用在移動電話歷史沿革、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)系統(tǒng)等地方。

第三代半導(dǎo)體材料是以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)等寬禁帶為代表，跟前兩代相比，第三代半導(dǎo)體具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

第三代化合物半導(dǎo)體材料性能優(yōu)異市場廣闊，YOLE預(yù)計(jì)到2022年，全球GaN功率器件整體市場規(guī)?？蛇_(dá)到11億美元，SiC市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到4.5億美元。

圖表來源：MoneyDJ

氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為最成熟的第三代半導(dǎo)體材料又稱寬禁帶半導(dǎo)體材料(禁帶寬度大于2.2ev)，其余包括氧化鋅、金剛石、氮化鋁的研究還處于起步階段。

GaN、SiC能過夠大幅提升電子器件的高壓、高頻、高功率的工作特性，在軍事、新能源、電動汽車等領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景。

和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，禁帶寬度越大允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓與更快的開關(guān)頻率下運(yùn)行。SiC可以制造高耐壓、大功率電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網(wǎng)、新能源汽車等行業(yè)。

由于其優(yōu)異的性能，SiC功率半導(dǎo)體市場正在快速成長，2018年SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模不到5億美元，預(yù)計(jì)到2024年市場規(guī)模將增長至20億美元，CAGR約30%，其中汽車市場將成為最重要的驅(qū)動因素，預(yù)計(jì)到2024年其在占SiC功率半導(dǎo)體市場占比將達(dá)50%。

氮化鎵(GaN)是氮和鎵的化合物，與硅元器件相比，GaN具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點(diǎn)，是超高頻器件的極佳選擇，目前氮化鎵的應(yīng)用主要集中在功率、發(fā)光材料、5G通信射頻領(lǐng)域等。

在GaN方面，預(yù)計(jì)消費(fèi)類電子將是前期主要的應(yīng)用領(lǐng)域，激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)存儲及新能源汽車等新興市場將成為后期主要驅(qū)動力。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，到2020年，全球GaN功率器件整體市場規(guī)?？蛇_(dá)到3億美元以上，2016年至2020年復(fù)合增長率高達(dá)80%。

5G基站GaN射頻功率放大器將成為主流技術(shù)，逐漸侵占LDMOS的市場，GaN能較好的適用于大規(guī)模MIMO。GaN的優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬度大，熱導(dǎo)率高，因此工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強(qiáng)。未來，SiC襯底的GaN功率元件，在5G基站預(yù)計(jì)將得到更多的應(yīng)用。

隨著第三代半導(dǎo)體材料的成本因生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升而下降，其應(yīng)用市場也將迎來爆發(fā)式增長，給半導(dǎo)體行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈分為四個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)：上游襯底、中游外延片(EPI硅片)、下游器件、模組制造。

高技術(shù)門檻導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體材料市場以日美歐寡頭壟斷，全球SiC制造廠商主要是英飛凌、Cree和Rohm，三家企業(yè)占據(jù)90%的碳化硅市場份額。

龍頭企業(yè)Cree擴(kuò)大規(guī)模和鎖定貨源，與意法半導(dǎo)體、英飛凌等中游廠商達(dá)成多項(xiàng)戰(zhàn)略協(xié)議，在價值1億美元的長期供應(yīng)協(xié)議中，Cree為英飛凌的光伏逆變器、機(jī)器人、充電基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)電源、牽引和變速驅(qū)動器等產(chǎn)品提供SiC晶圓。

另一項(xiàng)為期多年的2.5億美元規(guī)模的協(xié)議中，Cree的Wolfspeed部門將會向ST供應(yīng)150mmSiC晶圓。

國際先進(jìn)技術(shù)已將SiC單晶襯底從4英寸推廣到8英寸，預(yù)期未來碳化硅成本每年下降10-15%。

根據(jù)IHS數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)未來兩三年內(nèi)MOSFET(SiC)單位成本降至IGBT2-3倍水平，即6000元左右，產(chǎn)業(yè)化值得期待。短期內(nèi)，MOSFET(SiC)路線具備相對的經(jīng)濟(jì)性和可操作性，有望成為未來三年內(nèi)的新需求。

目前國內(nèi)已經(jīng)形成相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系，SiC襯底以4英寸為主，襯底材料方面有山東天岳、天科合達(dá)，EPI硅片有東莞天域半導(dǎo)體、廈門瀚天天成，其他器件和模組公司比如斯達(dá)半導(dǎo)、中車時代電氣、泰科天潤等，國內(nèi)廠商與海外巨頭差距較小，根據(jù)中研網(wǎng)，本土企業(yè)已在SiC-SBD形成銷售收入，開發(fā)出1700V/1200A的混合模塊、4500V/50A等大容量全SiC功率模塊。

國內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn);同時山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā);中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。

在GaN襯底方面，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)可以小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出6英寸襯底樣品。

目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學(xué)的東莞市中鎵半導(dǎo)體科技公司，其中蘇州納維目前已推出4英寸襯底產(chǎn)品，并且正在開展6英寸襯底片研發(fā)。

同時，隨著化合物半導(dǎo)體重要性日漸提升，第三代半導(dǎo)體(以GaN、SiC為代表)材料和芯片生產(chǎn)線不斷涌現(xiàn)，并快速成長。

硅材料在未來十年的技術(shù)革新下，將維持主流半導(dǎo)體材料的地位，朝向硅自主材料和硅襯底化合物兩條路徑發(fā)展。

即使在5G/IoT/AI等技術(shù)導(dǎo)入下，硅襯底的化合物材料也能滿足射頻芯片、功率器件對高頻、高壓、高功率的的需求，而且更具有經(jīng)濟(jì)效益。

在目前的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，僅有軍工、安防、航天等少部分需要超高規(guī)格的應(yīng)用領(lǐng)域，才需采用化合物單晶材料。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能驅(qū)動的新計(jì)算時代的發(fā)展，對半導(dǎo)體器件的需求日益增長，對器件可靠性與性能指標(biāo)的要求也更加嚴(yán)苛。

以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體開始逐漸受到市場的重視，國際上已形成完整的覆蓋材料，器件，模塊和應(yīng)用等環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)鏈，全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)開始。