有望直线超车!进击的中国“第三代半导体”

听了太多关于国产半导体行业被卡脖子、追赶、弯道超车的故事,当一个新兴半导体领域让国内半导体产业能同全球巨头们站在同一起跑线时,是否能让人高兴乃至兴奋呢?

注:“第三代半导体”并非准确描述,行文暂用只是为了理解方便,正文会有详解。

碳化硅晶体,图片来源天科合达官网

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振奋人心:有望超车的半导体新材料

在多个环节被卡脖子的半导体领域,有这样一个被称为“中国大陆半导体希望”的存在——“第三代半导体”!

众所周知,半导体材料是信息技术的核心基础材料,一代材料、一代技术、一代产业,半个多世纪来从基础技术层面支撑了信息技术翻天覆地的变化,推动了电子信息科技产业可持续蓬勃发展。

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)半导体材料,兴起于二十世纪五十年代,被广泛地应用于消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。目前,硅材料依然占据绝对主导地位,大多数的半导体器件及集成电路产品还是使用硅晶圆来制造,硅器件占到了全球销售的半导体产品的 95%以上。

第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)为主的化合物半导体,其主要被用于制作高频、高速以及大功率电子器件,主要应用于卫星通讯、移动通讯以及光通信等领域。

“第三代半导体”材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为化合物半导体。相对于差距较大的第一、第二代半导体,我国“第三代半导体”和国际巨头基本处于同一起跑线,加上中国有“第三代半导体”的应用市场,可以根据市场定义产品,而不是像之前跟着国际巨头做国产化替代,完全具备弯道甚至直线超车的可能!

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技术优势明显:大势所趋的“第三代半导体”

如果说第1代半导体材料奠定了微电子产业的基础,第二代半导体材料奠定了信息产业的基础,那么“第三代半导体”材料将是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。

与前两半导体材料相比,“第三代半导体”材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力,满足现代电子技术对半导体材料提出的高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

图片来源,光大证券研究所

通过上图,我们可以清晰了解三代半导体材料在应用上的差异,而在具体电气性能原理方面,“第三代半导体”应用优势主要体现在以下两个方面——

1.三代半导体材料之间的主要区别是禁带宽度。现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论,能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带,价带被电子填满且导带上无电子时,晶体不导电。当晶体受到外界能量激发(如高压),电子被激发到导带,晶体导电,此时晶体被击穿,器件失效,禁带宽度代表了器件的耐高压能力。“第三代半导体”的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍,具有更强的耐高压、高功率能力。

图片来源,CREE官网

2.“第三代半导体”材料能量密度更高。以氮化镓为例,其形成的HEMT器件结构中,其能量密度约为5-8W/mm,远高于硅基MOS器件和砷化镓射频器件的0.5-1W/mm的能量密度,器件可承受更高的功率和电压,在承受相同的功率和电压时,器件体积可变得更小。

图片来源,CREE官网

而在整个“第三代半导体”材料体系中,碳化硅有望成为破局关键。

在具体的应用领域,半导体芯片结构分为衬底、外延和器件结构。衬底通常起支撑作用,外延为器件所需的特定薄膜,器件结构即利用光刻刻蚀等工序加工出具有一定电路图形的拓扑结构。

由于“第三代半导体”的氮化镓生长速率慢,反应副产物多,生产工艺复杂,大尺寸单晶生长困难,目前氮化镓单晶生长尺寸在2英寸和4英寸,相比碳化硅难度更高。因此“第三代半导体”目前普遍采用热导率更高的碳化硅作为衬底材料,在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延,在高频领域选择氮化镓外延。

图片来源天科合达IPO招股书

在半导体衬底材料领域,碳化硅衬底器件具有体积小、能量损失更小、应用空间广阔等特点。“第三代半导体”目前主流器件形式为碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化镓外延射频器件,用以实现 AC->AC(变压器)、AC->DC(整流器)、DC->AC(逆变器)、DC->DC(升降压变换器),碳化硅器件更适合高压和高 可靠性情景,应用在新能源汽车和工控等领域,氮化镓器件更适合高频情况,应用在5G基站等领域。

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落地需求旺盛:数字基建打开成长空间

目前“第三代半导体”器件已经迅速进入了新能源汽车、光伏逆变、5G 基站、PD 快充等应用领域,碳化硅主要 应用在新能源汽车和工控等领域,氮化镓器件主要应用在5G基站等领域。2020 年我国“第三代半导体”产业电力电子和射频电子总产值超过 100 亿元,同比增长 69.5%。其中,SiC、GaN 电力电子产值规模达 44.7 亿元, 同比增长 54%;GaN 微波射频产值达到 60.8亿元,同比增长 80.3%。

碳化硅功率器件被广泛应用于新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电 桩等,光伏、风电等领域。受益新能源汽车的放量,碳化硅功率器件市场将快速增长。 根据Yole数据,2018年和2024年碳化硅功率器件市场规模分别约4亿和50亿美金,复合增速约51%,按照该 复合增速,2027年碳化硅功率器件市场规模约172亿美金。

图片来源,CREE官网

碳化硅衬底材料市场增速快。受益新能源汽车的放量和5G建设应用的推广,碳化硅衬底材料市场规模有望实现快速增长。 根据Yole统计,碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金,复合增速达 44%。按照该复合增速,2027年碳化硅衬底材料市场规模将达到约33亿美金

同时,根据Omdia的《 2020年SiC和GaN功率半导体报告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计8.54亿美元。未来十年的年均两位数增长率,到2029年将超过50亿美元。

图片来源,Omdia的《 2020年SiC和GaN功率半导体报告》

此外,根据Yole数据,到2024年SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元,其中,汽车市场占SiC功率半导体市场比重到2024年预计将达50%。对于如此庞大的市场和半导体行业基础的存在,各家半导体企业自然不肯落后于人。

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积极布局的国际巨头:扩产与并购

面对正在快速崛起的“第三代半导体”市场,科锐、意法半导体、罗姆、安森美、英飞凌、Qorvo、住友、恩智浦、三菱电机等传统半导体行业巨头们正在不断通过扩大产能、合作结盟或兼收并购等方式在“第三代半导体”市场跑马圈地、加速布局。

如碳化硅晶圆材料主要供应商科锐,正在进行大规模扩产。2019年5月,科锐宣布将投资10亿美元用于扩大SiC碳化硅产能,建造一座200mm碳化硅生产工厂(North Fab)和一座材料超级工厂(mega factory),将带来碳化硅晶圆制造产能的30倍增长和碳化硅材料生产的30倍增长。

氮化镓材料方面亦然,据日刊工业万博修改注册手机 2019年11月报道,为了抢攻5G服务相关商机,住友化学旗下子公司SCIOCS将使用于基地台用高频元件的氮化镓外延晶圆产能提高至2017年的3倍水平。

上游材料厂商大幅扩产的同时,中游企业则不断与其合作以期锁定材料产能。近两年来,英飞凌、意法半导体、安森美等企业相继与科锐签署了碳化硅晶圆长期/多年供应协议。

2020年初,意法半导体还与罗姆旗下碳化硅晶圆厂商SiCrystal GmbH达成碳化硅晶圆长期供应协议;3月,GTAT和安森美签署协议,GTAT将向安森美生产和供应CrystX碳化硅材料,安森美将使用GTAT专有的150mm碳化硅晶体来制造碳化硅晶圆。

图片来源,英飞凌官网

除了提前锁定上游材料货源,英飞凌等IDM厂商或器件厂商还采取了收购、合作等方式,整合上下游产业链资源以加速布局。

英飞凌早于2018年11月收购了拥有碳化硅晶圆冷切割技术的初创公司Siltectra;2019年12月,意法半导体完成收购瑞典碳化硅晶圆厂商Norstel AB;2020年3月,意法半导体再宣布收购法国氮化镓创新企业Exagan公司的多数股权。再如前不久,II-VI Incorporated宣布收购碳化硅外延晶片和器件企业Ascatron AB的所有已发行股份。

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国内企业:依托应用市场实现超车

纵观全球“第三代半导体”领域,CREE是全球碳化硅市场龙头企业,占据导电型SiC衬底市场62%的份额,其碳化硅衬底产品包括4英寸至6英寸导电型和半绝缘型,8英寸产品 且已成功研发并开始建设生产线,但过国内企业在技术上国内的差距并不是很大,中芯国际创始人张汝京曾公开演讲表示过,中国在“第三代半导体”技术上,有望实现直道超车,这也是为何高层如此重视这一领域的原因。

国内三安光电子公司三安集成承接化合物半导体业务,布局砷化镓、氮化镓、碳化硅、光通讯和滤波器五大板块。三安集成 2018-2020年收入分别为1.71、2.41、9.73亿元。公司碳化硅业务布局衬底、外延、器件全产业链,主要应用在光伏和储能等领域,应用包括服务器电源、矿机电源、新能源汽车等领域,而天科合达和山东天岳分别是国内导电性SiC衬底和半绝缘型SiC衬底龙头,6寸衬底也开始规模化生产或者开始建设产线。

图片来源,光大证券研究所

除了诸多“第三代半导体”企业迅速成长外,中国已经是全球最大的新能源汽车市场,2019年中国新能源汽车销量116万辆,占据全球54%,车用功率器件市场增量巨大,为SiC功率电子器件与模块产业带来巨大的发展空间,更让国内“第三代半导体”企业拥有宽松的成长空间。

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切不可捧杀:为“第三代半导体”正名

捧杀,无疑是毁掉一个人最好的方式。“同一起跑线”的说法让我国“第三代半导体”产业拥有了同全球先进半导体企业一较高低的希望,但希望并不意味着就可以盲目自信甚至自大。

实际上,“第三代半导体”不是第一代和第二代半导体的升级,它们是并存关系,各有各的应用场景和优势。第一代半导体是以硅材料为主,也是当下大众讨论最普遍的半导体概念,它广泛应用在手机、电脑、电视等领域,比如英特尔的CPU、华为的麒麟芯片都采用硅基的半导体技术。第二代半导体以砷化镓、锑化铟为代表,主要是功率放大,用于卫星通讯、移动通讯、导航等领域。

“第三代半导体”以氮化镓、碳化硅为代表的化合物半导体,主要面向三个市场:光电子、电力电子和微波射频,更通俗一点说,像手机快充、新能源车、轨道交通和国家电网等是民用领域的几大市场。

国内提出“第三代半导体”这个概念,主要是跨领域交流和工作汇报,因为行业术语有时让人理解困难。但这个词很容易也让人们产生一种错觉:第三代比第一代强。实际上,这类半导体材料在国际上的通用说法叫做“宽禁带”,指的是禁带宽度大于2.2eV的半导体材料。而在工信部等相关文件中和十四五规划里都称为“宽禁带”半导体,而非“第三代半导体”。

庞大的终端应用市场加上过去十余年间持续投入,我国在“第三代半导体”领域同国外先进企业的差距的确很小,但很小并不代表完全没有差距或者软肋。以碳化硅为例,最核心的问题是基础材料,比如高纯的碳粉和硅粉,我们在提纯技术上有差距;而在碳化硅设备里,我们缺乏高纯的石墨坩埚技术;做器件的时候,我们的光刻机、光刻胶也是个问题。碳化硅半导体的制造设备仍较多依赖进口,特别是“外延炉、离子注入机”等造价昂贵且有门槛的设备,动辄几百万上千万元人民币,主要还是靠买国外的,而氮化镓也面临类似问题。

总体而言,国内想要在“第三代半导体”领域有所建树并不难,但想要拥有完整的体系,并在系统体系上形成优势或超越,恐怕还有很长的路要走,这或许也是强链、补链、延链的意义。


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