宽禁带半导体：后摩尔时代超车绝佳赛道？

时间： 2024-03-27 来源：芯长征科技微信公众号

摩尔定律已逼近物理极限。“卷不过”就换赛道，宽禁带半导体成为后摩尔时代半导体发展的“蹊径”之一，而在这一领域，国内企业有望实现弯道超车。

宽禁带半导体是指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，也称“第三代半导体”。采用SiC、GaN材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

硅基氮化镓（GaN on Si）功率器件企业英诺赛科董事长骆薇薇近日在2022年ISES China峰会上表示，宽禁带半导体不属于先进工艺，对设备的依赖会小一点，其涉及的很多设备目前基本上可以在国内获得，核心设备后期也可以实现自主可控。“这是一个新赛道，我们有机会获得突破。”

宽禁带半导体：换道超车重要领域

硅（Si）材料的潜力已逐渐开发殆尽。相比于硅，SiC具有其10倍的击穿电场强度、3倍的禁带宽度、2倍的极限工作温度和超过2倍的饱和电子漂移速率。SiC还具有3倍的热导率，这意味着3倍于Si的冷却能力。而GaN则具备比SiC更宽的禁带宽度、击穿电场强度及饱和电子漂移速率。

目前Si仍是半导体材料主流，占比95%。Yole预测，第三代半导体渗透率将逐年上升，SiC渗透率在2023年有望达到3.75%，GaN渗透率在2023年达到1.0%。

根据CASA数据，2020年我国第三代半导体整体产值超7100亿元。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%。

据悉，总体来看，宽禁带半导体国内和海外的技术代差并不大。“SiC材料方面，国际上6英寸是主流，8英寸开始中试，国内6英寸刚刚规模量产，8英寸处于样品研发阶段；SiC器件方面，国内中低功率的SiC MOSFET处于小批量供货阶段，在高耐压、高厚膜外延、极端动态可靠性等方面性能低于国际水平，同时大规模制造能力与意法半导体、CREE等比较还是有一定差距。”某涉及第三代半导体业务的上市公司内部高管告诉第一财经，GaN方面，国内企业与国际龙头在材料和器件部分关键指标方面基本同步，但器件在动态特性、长期可靠性、缺陷控制等方面与国际水平有一定差距。

赛迪顾问新材料产业研究中心首席分析师李龙近日在2022世界半导体大会上表示，第三代半导体行业总体来看还处于发展早期阶段，任何一个玩家若能实现技术突破，则可以改变目前的市场格局，第三代半导体也因此成为了相关企业换道超车的重要领域。

SiC器件最大应用市场在新能源汽车

SiC产业链大致可以分为衬底、外延、器件三大环节，器件包括设计、制造和封测。

SiC器件不可直接制作于衬底上，需先用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，形成外延片，再进一步制成器件。从技术难度来看，衬底环节技术难度最大，其次是器件环节。衬底同时也是成本占比最高的环节，占据47%。

衬底技术难度大首先缘于良率低。碳化硅的晶型多达200多种，要生成所需的单一晶型（主流为4H晶型），需要控制十分精确。另一方面，SiC衬底莫氏硬度达9.2，属于高硬度脆性材料，加工过程中易开裂，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题。

天岳先进（688234.SH）招股书显示，2018-2020年和2021年上半年，公司的晶棒良率分别为41%、38.57%、50.73%和49.90%，衬底良率分别为72.61%、75.15%、70.44%和75.47%，综合良率最新约为37.7%。

制备条件苛刻也提高了衬底制备的门槛。生产SiC晶棒需要2500℃高温，而硅晶只需1500℃，因此SiC晶棒需要特殊的单晶炉，还需要精确控制温度；SiC晶棒的生产周期为7至10天，长度约2cm，而硅晶棒只需要3~4天即可长成，长度可达2m。

“晶体生长是SiC技术难度最大的环节。”上述上市公司高管告诉第一财经，增加晶圆尺寸，提高长晶与加工环节的良率是降低成本的有效方法；长晶炉热场设计、晶体生长与加工工艺优化等则能有效提高良率。

“从整个产业链来看，目前国内在SiC衬底这一块比较成熟，虽然在良率、尺寸等方面跟国外还有一些差距，但可以保证整个供应链的完整性。”中电科55所化合物产品部副主任刘柱表示，从外延到工艺制造，再到最终的封测，我国具备完整的能力，目前国产产品可以覆盖到3毫米波段以下。

SiC应用领域主要分为射频器件（5G、国防等）和功率器件（新能源等）。其中新能源汽车是SiC器件最大的应用市场，据Yole预测，其2025年份额将超过50%。海通证券认为，随着SiC零部件在电动车中不断替代渗透，单车SiC价值量也将逐步增加。

从供需方面看，业内人士根据一些市场部门的调研和归纳总结，认为2025年全球SiC衬底产量总共282万片，其中中国89万片，中国以外的地区193万片，而保守情况下需求量为365万片，乐观情况下728万片。这意味着届时SiC将供不应求。

“目前SiC、GaN器件大规模商用的最大障碍还是产品性价比。”上述高管对第一财经表示，SiC二极管已经规模商用，SiC MOS器件国内部分企业实现技术突破，在大规模制造能力方面还需要持续优化。

从产业链角度看，目前国内布局SiC的上市公司可大致分为五类：1）专注衬底材料，如国内半绝缘型SiC衬底龙头天岳先进，导电型衬底市占率国内第一的天科合达；2）器件端IDM，如华润微（688396.SH）、斯达半导（603290.SH）、闻泰科技（600745.SH）等；3）材料到器件一体化布局，如三安光电；4）芯片设计厂商，如新洁能（605111.SH）；5）上游设备厂商等，如露笑科技（002617.SZ）布局设备和材料，中微公司（688012.SH）布局外延设备。

其中，三安光电的SiC业务由湖南三安半导体完成，总投资160亿元，规划年配套产能36万片6英寸SiC晶圆，涵盖SiC全产业链，包括长晶、衬底、外延、芯片制造和封装测试。2021年6月份一期已经建设完成，二期预计在2024年完成。

国内GaN产业链加速布局

GaN材料具备多重性能优势。首先，GaN可以进一步提高开关频率，这意味着可以减少系统材料的体积和面积，其次，GaN的高饱和电子浓度可以大幅降低导频损耗，实现小尺寸的功率器件设计。

“用650V的GaN器件和SiC器件对比，前者体积约1/2甚至更小。”英诺赛科（珠海）科技有限公司高级副总裁孙毅表示，氮化镓是解决未来发展矛盾的最佳方案。

GaN在快充领域的应用已经被证明。根据Yole，2021年GaN功率器件下游应用中，消费电子占比63.2%，以消费类快充应用为主。

不过，由于技术制约，当前GaN器件仍难以实现在10KW、1200V以上的大功率场景应用。以新能源汽车为例，GaN器件当前多用于DCDC、OBC等小功率场景，难以在电机控制器实现应用。因此，SiC MOSFET主攻高压领域，GaN MOSFET主攻高频领域。

GaN MOSFET凭借其超高频率的特性在5G射频领域广泛应用。刘柱表示，经过三十多年的发展，目前我国整体GaN射频器件的水平跟国外基本上保持同步发展，甚至在某些新的技术或新设计方面领先。

“GaN电力电子产品在快充领域已经规模应用，接下来需要进一步提高工作电压及可靠性、需要持续往高功率密度、高频与高集成方向发展，并进一步拓展应用领域。”上述高管直言。

GaN产业链玩家的分类与SiC类似，海外企业在GaN功率半导体技术及产能上较为领先，包括英飞凌、Qorvo等。

国内GaN产业链也在加速布局中。国内企业在衬底、外延、设计、制造等领域均已布局，包括GaN衬底制造商苏州纳维、东莞中镓；外延制造商晶湛半导体、江苏能华；设计企业安谱隆、海思半导体；制造企业三安集成、海威华芯等。

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SiC 电力电子器件产品简册

中电国基南方集团有限公司专注于第三代半导体器件研发和应用，尤其在SiC电力电子器件领域取得显著成果。公司拥有6英寸SiC工艺线，产品包括SiC肖特基二极管、SiC MOSFET等，广泛应用于新能源汽车、轨道交通、新能源发电等领域。公司承担多项国家级课题，拥有多项发明专利，并建立了国家重点实验室和第三代半导体技术创新中心。

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2024/4/7 - 选型指南代理服务技术支持采购服务

Futureway（富程威）有机硅材料选型指南

公司简介有机硅材料硅泡棉低烟硅泡棉硅橡胶泡棉液体硅橡胶特种硅橡胶

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2023/4/28 - 选型指南代理服务技术支持采购服务