當前，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)注度空前。
以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GAN)為代表的第三代半導(dǎo)體在近年有兩個標志性的應(yīng)用。SiC方面，特斯拉的Model3采用了意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器，這是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企，由此也將SiC的應(yīng)用市場給點燃;而去年GAN一個典型的應(yīng)用就是GAN快充，目前主流手機廠商均已發(fā)布氮化鎵快充產(chǎn)品。
當然，上述所列舉的應(yīng)用只是第三代半導(dǎo)體的“冰山一角”，伴隨著5G、新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通等下游應(yīng)用快速發(fā)展，以及國家政策的大力扶持下，第三代半導(dǎo)體的市場規(guī)模正在持續(xù)增長，其中2020年三代半襯體材料的市場規(guī)模達到9.97億元，同比增長26.8%。
那么，當前國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已發(fā)展到哪個階段?與國外頭部廠商相比是否存在技術(shù)差距?發(fā)展過程中存在哪些機遇和風險因素?為此，記者近期實地走訪調(diào)研了國產(chǎn)功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)——華潤微，后者于去年宣布國內(nèi)首條6吋SiC晶圓生產(chǎn)線量產(chǎn)，目前公司的SiC二極管已經(jīng)小批量出貨，今年下半年或推出SiC MOSFET。
SiC二極管發(fā)展成熟
據(jù)了解，與硅相比，SiC擁有更為優(yōu)越的電氣特性，同時SiC的熱導(dǎo)率比硅更高，SiC器件也因此對散熱的設(shè)計要求更低，有助于實現(xiàn)設(shè)備的小型化。
目前，SiC的產(chǎn)業(yè)鏈主要分為：SiC襯底材料的制備、SiC的外延生長、器件以及SiC模塊封裝。而在SiC領(lǐng)域，目前華潤微主要聚焦于SiC器件的生產(chǎn)。
2020年7月，華潤微正式發(fā)布1200V和650V 工業(yè)級SiC肖特基二極管系列產(chǎn)品，并實現(xiàn)量產(chǎn)，記者在調(diào)研中了解到，華潤微的SiC二極管于去年下半年投入市場，產(chǎn)品經(jīng)過前期客戶、客戶驗證等過程，今年已經(jīng)形成一些量產(chǎn)規(guī)模(月產(chǎn)能約1000片)，主要應(yīng)用于工業(yè)類、電源類等領(lǐng)域，目前營收約在百萬量級。
值得注意的是，早在2001年，英飛凌就最先發(fā)布SiC肖特基功率二極管產(chǎn)品，但此后至2016年前述產(chǎn)品才真正實現(xiàn)量產(chǎn)。由于SiC二極管在應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)歷了近十年的應(yīng)用驗證，同時其技術(shù)迭代也一直在加速，因此國內(nèi)在SiC二極管方面技術(shù)也是比較成熟，與國外廠商之間的技術(shù)差距并不大。
除SiC二極管外，SiC MOSFET也是華潤微的研發(fā)的重點。記者從知情人士處獲悉，預(yù)計在今年下半年，華潤微或?qū)⑼瞥鯯iC MOSFET產(chǎn)品，后者可聚焦新能源汽車、充電樁等應(yīng)用需求。
在SiC MOSFET方面，第三代半導(dǎo)體行業(yè)龍頭美國科銳于2011年報告了MOSFET器件的研制，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前以科銳、羅姆、英飛凌、ST等國外公司為代表的廠商，已經(jīng)可以提供650伏到1700伏的成熟產(chǎn)品，并且部分廠商近年在SiC MOSFET方面也在進行大量擴產(chǎn)。
與之相比，國內(nèi)SiC MOSFET器件尚未形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，其性能的可靠性等還需要進一步的提升。
記者獲悉，在國內(nèi)廠商中，此前深圳基本半導(dǎo)體曾推出1200V SiC MOSFET，達到可量產(chǎn)狀態(tài);上海瞻芯電子于2018年5月成功地在一條成熟量產(chǎn)的6英寸工藝生產(chǎn)線上完成SiC MOSFET的制造流程;另外中國電科五十五所是在SiC領(lǐng)域最早布局的公司，其建有SiC6英寸的產(chǎn)線，產(chǎn)線能力是約3萬片每年，在MOSFET方面已實現(xiàn)了650伏到1700伏MOSFET的量產(chǎn)。
產(chǎn)業(yè)進入擴張期
在SiC的諸多下游應(yīng)用場景中，電動汽車將是SiC器件更有潛力的應(yīng)用市場。
有機構(gòu)預(yù)測，到2025年全球SiC市場將會增加到60.4億美元，到2028年市場增長5倍。而目前全球SiC硅晶圓總產(chǎn)能約在40-60萬片，而如果按照2022年特斯拉的交付量100萬輛車計算，僅一個特斯拉就將消耗全球SiC硅晶圓總產(chǎn)能。
不過，有第三代半導(dǎo)體行業(yè)人士向記者表示，車廠對SiC器件的要求非常高，一方面是材料的穩(wěn)定，目前第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域都不能完全的滿足要求，更不用說應(yīng)用在車上;其次，目前國產(chǎn)硅基器件應(yīng)用在車廠的都很少，更不用說是SiC器件，因此雖然應(yīng)用市場非常的廣泛，但對國內(nèi)供應(yīng)商而言還有很長的路要走。
此外，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體廠商中，更多的企業(yè)聚焦于SiC器件端，而在材料襯底端布局的企業(yè)則屈指可數(shù)，但SiC襯底不僅是產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的環(huán)節(jié)，同時，由于襯底的成本占整個器件將近一半，因此襯底成本的高低，也直接影響SiC器件價格的高低。
記者在對華潤微調(diào)研時，企業(yè)的感受也是SiC器件的成本偏高。
而降低SiC襯底成本的方式之一是向大尺寸方向發(fā)展，即襯底的尺寸越大，邊緣的浪費就越小，有利于進一步降低芯片的成本。目前美國科銳已成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品，而國內(nèi)企業(yè)中，山東天岳目前主要是4英寸襯底，英寸襯底小批量銷售;天科合達同樣以4英寸襯底為主，正在6英寸襯底過度。
產(chǎn)能的提升也將使得襯底材料成本持續(xù)下降。據(jù)《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》白皮書顯示，為迎合市場需求，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)：天科合達、同光晶體、泰科天潤、三安光電、英諾賽科等紛紛擴產(chǎn)，預(yù)示著國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始進入擴張期。
另外，伴隨著行業(yè)上下游廠商的博弈，以及越來越多的“后起之秀”入局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，美國科銳在SiC市場的份額從此前的80%，降低至當前40%左右。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，美國科銳在SiC材料領(lǐng)域的市場占有率會進一步下降，直至降到30%左右，而產(chǎn)業(yè)集中度的下降必將意味著市場競爭將更加激烈。未來SiC襯底的價格或?qū)⒗^續(xù)以每年15%左右的速度下降。
不過也有觀點認為，如果根本的技術(shù)問題沒有得到大的改進，其實降價的空間，從襯底這個維度來看是相對有限。
從研發(fā)到規(guī)模商業(yè)化的挑戰(zhàn)
總體來看，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅瑫r發(fā)展過程中亦面臨諸多的挑戰(zhàn)。
賽迪顧問就在其發(fā)布的《2021半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)演進發(fā)展白皮書》中指出，目前中國的第三代半企業(yè)已經(jīng)從小批量的研發(fā)模式轉(zhuǎn)向了規(guī)?；虡I(yè)化的生產(chǎn)模式，但國內(nèi)的第三代半產(chǎn)業(yè)多為高校和科研機構(gòu)技術(shù)轉(zhuǎn)化出來的企業(yè)，這些企業(yè)存在著實力相對弱小、抗風險能力差，在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位和話語權(quán)不足等問題。
因此白皮書中建議，第三代半導(dǎo)體的性能和材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝它的關(guān)聯(lián)緊密，而且制造產(chǎn)線的投資額相對較低，建議國內(nèi)企業(yè)為了確保自身的競爭優(yōu)勢，可以向IDM模式轉(zhuǎn)變。
從行業(yè)角度看，包括英飛凌、ST、日本羅坶等公司均采取的IDM模式，另外美國科銳公司的SiC產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋襯底、外延及器件制作;而在國內(nèi)行業(yè)中，泰科天潤、華潤微、中國電科等均采取的IDM模式，另外露笑科技投資的SiC產(chǎn)業(yè)園也覆蓋晶體生長、襯底制作、外延生長等多個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。
第三代半導(dǎo)體行業(yè)人士記者表示，目前國內(nèi)做第三代半導(dǎo)體對外代工的廠商很少，因為代工的意義不大，材料成本占比很大，加工費其實很少。
“像SiC的特性決定了其器件比較貴，不應(yīng)用于消費級市場，也就是說應(yīng)用場景要求較高，比如工業(yè)級、汽車級等領(lǐng)域，因此不但產(chǎn)品的性能要達到要求，同時本身的供貨能力，供應(yīng)鏈的安全保障都有要求”，上述行業(yè)人士認為，“像這種產(chǎn)品，價格還是其次，首先看產(chǎn)品性能是否能達標，其次看是否能持續(xù)穩(wěn)定的供貨，這都是非常重要的指標，因此如果是小公司，存在無法持續(xù)供貨的風險。”
此外，還需警惕行業(yè)資本過熱的現(xiàn)象。
從產(chǎn)業(yè)的政策環(huán)境來看，雖然國家和各地政府出臺了多項政策來促進三代半材料產(chǎn)業(yè)的快速健康有序的發(fā)展，但三安集團北京公司副總經(jīng)理陳東坡此前提醒，在很多二三線城市，由于對于半導(dǎo)體認知相對低一些，對于分辨優(yōu)質(zhì)項目和差項目的能力會弱一些，結(jié)果會導(dǎo)致行業(yè)的資源分散，甚至有產(chǎn)能過剩的隱患。
陳東坡對此建議，首先主管部門需提升項目支持的精準度;其次是要強化窗口指導(dǎo);其三是上下游協(xié)同，以下游應(yīng)用帶動上游元器件，以下游應(yīng)用企業(yè)考核上游元器件，來解決科技成果產(chǎn)品化的問題;第四，可以依托行的龍頭企業(yè)建立中試研發(fā)平臺。(吳凡)
