作者：馮麗君 責(zé)編：黃宇
摩爾定律已逼近物理極限。“卷不過”就換賽道，寬禁帶半導(dǎo)體成為后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體發(fā)展的“蹊徑”之一，而在這一領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)有望實(shí)現(xiàn)彎道超車。
寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度在2.3eV及以上的半導(dǎo)體材料，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表，也稱“第三代半導(dǎo)體”。采用SiC、GaN材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，適用于高電壓、高頻率場景，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。
硅基氮化鎵（GaN on Si）功率器件企業(yè)英諾賽科董事長駱薇薇近日在2022年ISES China峰會上表示，寬禁帶半導(dǎo)體不屬于先進(jìn)工藝，對設(shè)備的依賴會小一點(diǎn)，其涉及的很多設(shè)備目前基本上可以在國內(nèi)獲得，核心設(shè)備后期也可以實(shí)現(xiàn)自主可控。“這是一個(gè)新賽道，我們有機(jī)會獲得突破。”
寬禁帶半導(dǎo)體：換道超車重要領(lǐng)域
硅（Si）材料的潛力已逐漸開發(fā)殆盡。相比于硅，SiC具有其10倍的擊穿電場強(qiáng)度、3倍的禁帶寬度、2倍的極限工作溫度和超過2倍的飽和電子漂移速率。SiC還具有3倍的熱導(dǎo)率，這意味著3倍于Si的冷卻能力。而GaN則具備比SiC更寬的禁帶寬度、擊穿電場強(qiáng)度及飽和電子漂移速率。
目前Si仍是半導(dǎo)體材料主流，占比95%。Yole預(yù)測，第三代半導(dǎo)體滲透率將逐年上升，SiC滲透率在2023年有望達(dá)到3.75%，GaN滲透率在2023年達(dá)到1.0%。
根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2020年我國第三代半導(dǎo)體整體產(chǎn)值超7100億元。其中，SiC、GaN電力電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá)44.7億元，同比增長54%；GaN微波射頻產(chǎn)值達(dá)到60.8億元，同比增長80.3%。
據(jù)悉，總體來看，寬禁帶半導(dǎo)體國內(nèi)和海外的技術(shù)代差并不大。“SiC材料方面，國際上6英寸是主流，8英寸開始中試，國內(nèi)6英寸剛剛規(guī)模量產(chǎn)，8英寸處于樣品研發(fā)階段；SiC器件方面，國內(nèi)中低功率的SiC MOSFET處于小批量供貨階段，在高耐壓、高厚膜外延、極端動(dòng)態(tài)可靠性等方面性能低于國際水平，同時(shí)大規(guī)模制造能力與意法半導(dǎo)體、CREE等比較還是有一定差距。”某涉及第三代半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的上市公司內(nèi)部高管告訴第一財(cái)經(jīng)，GaN方面，國內(nèi)企業(yè)與國際龍頭在材料和器件部分關(guān)鍵指標(biāo)方面基本同步，但器件在動(dòng)態(tài)特性、長期可靠性、缺陷控制等方面與國際水平有一定差距。
賽迪顧問新材料產(chǎn)業(yè)研究中心首席分析師李龍近日在2022世界半導(dǎo)體大會上表示，第三代半導(dǎo)體行業(yè)總體來看還處于發(fā)展早期階段，任何一個(gè)玩家若能實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，則可以改變目前的市場格局，第三代半導(dǎo)體也因此成為了相關(guān)企業(yè)換道超車的重要領(lǐng)域。
SiC器件最大應(yīng)用市場在新能源汽車
SiC產(chǎn)業(yè)鏈大致可以分為襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)，器件包括設(shè)計(jì)、制造和封測。
SiC器件不可直接制作于襯底上，需先用化學(xué)氣相沉積法在襯底表面生成所需薄膜材料，形成外延片，再進(jìn)一步制成器件。從技術(shù)難度來看，襯底環(huán)節(jié)技術(shù)難度最大，其次是器件環(huán)節(jié)。襯底同時(shí)也是成本占比最高的環(huán)節(jié)，占據(jù)47%。
襯底技術(shù)難度大首先緣于良率低。碳化硅的晶型多達(dá)200多種，要生成所需的單一晶型（主流為4H晶型），需要控制十分精確。另一方面，SiC襯底莫氏硬度達(dá)9.2，屬于高硬度脆性材料，加工過程中易開裂，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問題。
天岳先進(jìn)（688234.SH）招股書顯示，2018-2020年和2021年上半年，公司的晶棒良率分別為41%、38.57%、50.73%和49.90%，襯底良率分別為72.61%、75.15%、70.44%和75.47%，綜合良率最新約為37.7%。
制備條件苛刻也提高了襯底制備的門檻。生產(chǎn)SiC晶棒需要2500℃高溫，而硅晶只需1500℃，因此SiC晶棒需要特殊的單晶爐，還需要精確控制溫度；SiC晶棒的生產(chǎn)周期為7至10天，長度約2cm，而硅晶棒只需要3~4天即可長成，長度可達(dá)2m。
“晶體生長是SiC技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)。”上述上市公司高管告訴第一財(cái)經(jīng)，增加晶圓尺寸，提高長晶與加工環(huán)節(jié)的良率是降低成本的有效方法；長晶爐熱場設(shè)計(jì)、晶體生長與加工工藝優(yōu)化等則能有效提高良率。
“從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來看，目前國內(nèi)在SiC襯底這一塊比較成熟，雖然在良率、尺寸等方面跟國外還有一些差距，但可以保證整個(gè)供應(yīng)鏈的完整性。”中電科55所化合物產(chǎn)品部副主任劉柱表示，從外延到工藝制造，再到最終的封測，我國具備完整的能力，目前國產(chǎn)產(chǎn)品可以覆蓋到3毫米波段以下。
SiC應(yīng)用領(lǐng)域主要分為射頻器件（5G、國防等）和功率器件（新能源等）。其中新能源汽車是SiC器件最大的應(yīng)用市場，據(jù)Yole預(yù)測，其2025年份額將超過50%。海通證券認(rèn)為，隨著SiC零部件在電動(dòng)車中不斷替代滲透，單車SiC價(jià)值量也將逐步增加。
從供需方面看，業(yè)內(nèi)人士根據(jù)一些市場部門的調(diào)研和歸納總結(jié)，認(rèn)為2025年全球SiC襯底產(chǎn)量總共282萬片，其中中國89萬片，中國以外的地區(qū)193萬片，而保守情況下需求量為365萬片，樂觀情況下728萬片。這意味著屆時(shí)SiC將供不應(yīng)求。
“目前SiC、GaN器件大規(guī)模商用的最大障礙還是產(chǎn)品性價(jià)比。”上述高管對第一財(cái)經(jīng)表示，SiC二極管已經(jīng)規(guī)模商用，SiC MOS器件國內(nèi)部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，在大規(guī)模制造能力方面還需要持續(xù)優(yōu)化。
從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，目前國內(nèi)布局SiC的上市公司可大致分為五類：1）專注襯底材料，如國內(nèi)半絕緣型SiC襯底龍頭天岳先進(jìn)，導(dǎo)電型襯底市占率國內(nèi)第一的天科合達(dá)；2）器件端IDM，如華潤微（688396.SH）、斯達(dá)半導(dǎo)（603290.SH）、聞泰科技（600745.SH）等；3）材料到器件一體化布局，如三安光電；4）芯片設(shè)計(jì)廠商，如新潔能（605111.SH）；5）上游設(shè)備廠商等，如露笑科技（002617.SZ）布局設(shè)備和材料，中微公司（688012.SH）布局外延設(shè)備。
其中，三安光電的SiC業(yè)務(wù)由湖南三安半導(dǎo)體完成，總投資160億元，規(guī)劃年配套產(chǎn)能36萬片6英寸SiC晶圓，涵蓋SiC全產(chǎn)業(yè)鏈，包括長晶、襯底、外延、芯片制造和封裝測試。2021年6月份一期已經(jīng)建設(shè)完成，二期預(yù)計(jì)在2024年完成。
國內(nèi)GaN產(chǎn)業(yè)鏈加速布局
GaN材料具備多重性能優(yōu)勢。首先，GaN可以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，這意味著可以減少系統(tǒng)材料的體積和面積，其次，GaN的高飽和電子濃度可以大幅降低導(dǎo)頻損耗，實(shí)現(xiàn)小尺寸的功率器件設(shè)計(jì)。
“用650V的GaN器件和SiC器件對比，前者體積約1/2甚至更小。”英諾賽科（珠海）科技有限公司高級副總裁孫毅表示，氮化鎵是解決未來發(fā)展矛盾的最佳方案。
GaN在快充領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)被證明。根據(jù)Yole，2021年GaN功率器件下游應(yīng)用中，消費(fèi)電子占比63.2%，以消費(fèi)類快充應(yīng)用為主。
不過，由于技術(shù)制約，當(dāng)前GaN器件仍難以實(shí)現(xiàn)在10KW、1200V以上的大功率場景應(yīng)用。以新能源汽車為例，GaN器件當(dāng)前多用于DCDC、OBC等小功率場景，難以在電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。因此，SiC MOSFET主攻高壓領(lǐng)域，GaN MOSFET主攻高頻領(lǐng)域。
GaN MOSFET憑借其超高頻率的特性在5G射頻領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。劉柱表示，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，目前我國整體GaN射頻器件的水平跟國外基本上保持同步發(fā)展，甚至在某些新的技術(shù)或新設(shè)計(jì)方面領(lǐng)先。
“GaN電力電子產(chǎn)品在快充領(lǐng)域已經(jīng)規(guī)模應(yīng)用，接下來需要進(jìn)一步提高工作電壓及可靠性、需要持續(xù)往高功率密度、高頻與高集成方向發(fā)展，并進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域。”上述高管直言。
GaN產(chǎn)業(yè)鏈玩家的分類與SiC類似，海外企業(yè)在GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)能上較為領(lǐng)先，包括英飛凌、Qorvo等。
國內(nèi)GaN產(chǎn)業(yè)鏈也在加速布局中。國內(nèi)企業(yè)在襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造等領(lǐng)域均已布局，包括GaN襯底制造商蘇州納維、東莞中鎵；外延制造商晶湛半導(dǎo)體、江蘇能華；設(shè)計(jì)企業(yè)安譜隆、海思半導(dǎo)體；制造企業(yè)三安集成、海威華芯等。
本文不構(gòu)成任何投資建議，投資者據(jù)此操作，一切后果自負(fù)。市場有風(fēng)險(xiǎn)，投資需謹(jǐn)慎。
