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

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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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