“技术、产业、格局大洗牌” 第三代半导体将进入“战国时代”

全球半导体产业终结连续高增长，进入调整周期。与此形成对比，在新能源汽车、光伏、储能等需求带动下，第三代半导体产业保持高速发展。

半导体产业发展至今经历了三个阶段，第一代半导体材料以硅（Si）为代表，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料和以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）等宽禁带为代表的第三代半导体材料。相较前两代产品，第三代半导体最大的优点在于能够适应高压，高频和高温的极端环境，性能大幅提升。

图 1

北京第三代半导体产业技术创新战略联盟发布的第三代半导体产业发展白皮书显示，总体来看，我国第三代半导体产业已进入成长期，技术稳步提升，产能不断释放，国产碳化硅（SiC）器件及模块开始“上机”，生态体系逐渐完善，自主可控能力不断增强，整体竞争实力日益提升。

2022年全球碳化硅、氮化镓功率半导体市场约23.7亿美元，GaN微波射频市场约为12.4亿美元。数据显示，2022年我国第三代半导体功率电子和微波射频两个领域实现总产值141.7亿元，较2021年增长11.7%，产能不断释放。其中，SiC产能增长翻番，GaN产能增长超30%；新增投资扩产计划较2021年同比增长36.7%；资本市场活跃，并购金额超45亿元，66家企业融资超64亿元。

《白皮书》预计，2023年将是第三代半导体大放异彩的一年，市场将见证一个“技术快速进步、产业快速增长、格局大洗牌”的“战国时代”。

“未来，我国第三代半导体企业将面临内外部的激烈竞争。”

《白皮书》认为，国际半导体企业急速扩张，力图迅速抢占市场，全球供应链格局正逐步成型，国际龙头企业“卡位战”即将结束。而国内企业技术和产业化水平依然落后，产线平台刚刚搭建，核心器件尚未进入汽车、手机等龙头企业供应链，整体国产化率偏低。

SiC产业链

SiC的产业链主要由单晶衬底、外延、器件、制造和封测等环节构成。

1）在这些环节中，SiC衬底是发展SiC的关键。

衬底是将高纯度多晶SiC粉末经过升华、晶体生长、切割、研磨、清洗等过程制造而成的晶圆，为薄片形态。为使材料能满足不同芯片的功能要求，需要制备电学性能不同的SiC衬底，主要是两种：低电阻率的导电型SiC衬底，和高电阻率的半绝缘型SiC衬底。

衬底和器件是两个技术门槛高的环节，与国外差距明显；位错国外可以达到1000/c㎡，国内目前是5000/c㎡，技术差距大约有5-8年时间差距；国外MOSFET已经大批量出货了，国内目前还是在二极管领域。世界主流尺寸是6英寸，但目前国内主流还是在4英寸，而且国外Cree已经研制出8英寸。

2）但衬底是不能直接拿来制造大功率和高压高频器件，而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。在抛光晶圆上采用真空蒸发的方式形成几微米厚度的新的碳化硅单晶层，这就是外延片。几乎所有SiC功率器件的制备均是基于高质量SiC外延片，外延技术对于碳化硅器件性能的充分发挥具有决定性的作用。

但就技术门槛而言，碳化硅领域技术瓶颈较低的就是外延，目前外延有商用商业化设备的主要有两家国外企业，一家是意大利的LPE，另一家是德国的Aixtron，他们在销售设备的时候也会附带工艺，大约1000万左右就能买一台设备就可以做出合格的外延产品，后续的研发主要体现在让厚度更厚，性能更好以及在保证品质的情况下降成本。因为器件中衬底成本大约占到50%，外延成本在20-25%，所以外延工艺控制好，成本可以降低很多。

3）在导电型SiC衬底上生长SiC外延层制得的SiC外延片，可进一步制成功率器件，功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用电力设备的电能转化和电路控制等领域。

在半绝缘型SiC衬底上生长氮化镓外延层制得的SiC基氮化镓（GaN-on-SiC）外延片，可进一步制成微波射频器件，微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件，是无线通讯的核心，主要包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等器件。

器件的难度体现在工艺步骤很多，比如1个二极管大约几十步工艺，1个MOSFET大约上百步工艺；以及一些核心高温工艺，如高温栅氧高温注入等，另一方面前期需要大规模投资，衬底一条产线可能几亿，器件至少在10亿人民币以上。

4）接下来的流程就跟硅基半导体类似，进行制造、封测到最终出来各种各样的SiC器件。

封装环节的核心矛盾在于，碳化硅材料的主要特性是高温高频，但目前封装还是照搬硅封装，所以高温高频性能并不能得到有效发挥，但这部分国内外都还没有突破，国内斯达半导体在做硅封装模块比较优秀，目前在碳化硅方面也有布局。

碳化硅在半导体芯片中的主要形式为衬底。半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件”结构。

图 2 碳化硅晶片产业链

图 3碳化硅晶片工艺流程

SiC是高功率器件理想材料

硅是半导体行业第一代基础材料，目前全球95%以上的集成电路元器件是以硅为衬底制造的。目前，随着电动汽车、5G等应用的发展，高功率、耐高压、高频率器件需求快速增长。

当电压大于900V，要实现更大功率时，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板，其在转换效率，开关频率，工作温度等多方面都将受限。而碳化硅材料由于具有禁带宽度大(Si的3倍)、热导率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(Si的2.5倍)和击穿电场高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性质，SiC器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势，弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷，正逐渐成为功率半导体的主流。

先进半导体材料已上升至国家战略层面

2025年目标渗透率超过50%。底层材料与技术是半导体发展的基础科学，在2025中国制造中，分别对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块等细分领域做出了目标规划。在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%；在新能源汽车、消费电子中实现规模应用，在通用照明市场渗透率达到80%以上。

其他国家如，美、日、欧等国都在积极进行第三代半导体材料的战略部署，其中的重点是SiC。作为电力电子器件，SiC在低压领域如高端的白色家电、电动汽车等由于成本因素，逐渐失去了竞争力。但在高压领域，如高速列车、风力发电以及智能电网等，SiC具有不可替代性的优势。

美国等发达国家为了抢占第三代半导体技术的战略制高点，通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式，将企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联合在一起，实现第三代半导体技术的加速进步，引领、加速并抢占全球第三代半导体市场。

例如，美国国家宇航局（NASA）、国防部先进研究计划署（DARPA）等机构通过研发资助、购买订单等方式，开展SiC、GaN研发、生产与器件研制；韩国方面，在政府相关机构主导下，重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长这4个方面，开展研发项目。在功率器件方面，韩国还启动了功率电子的国家项目，重点围绕Si基GaN和SiC。

行业竞争格局

从产业格局看，目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，占有全球SiC产量的70%~80%，碳化硅晶圆市场CREE一家市占率高达6成之多；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。领先企业包括美国科锐（Cree）旗下的Wolfspeed、德国的SiCrystal、日本的罗姆（ROHM）、新日铁等。国内目前已实现4英寸衬底的量产；同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发；中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底。

尽管全球碳化硅器件市场已经初具规模，但是碳化硅功率器件领域仍然存在一些诸多共性问题亟待突破，比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决、碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等，全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距，在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。

来源：功率半导体生态圈