當(dāng)前，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)注度空前。
以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GAN)為代表的第三代半導(dǎo)體在近年有兩個(gè)標(biāo)志性的應(yīng)用。SiC方面，特斯拉的Model3采用了意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器，這是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企，由此也將SiC的應(yīng)用市場(chǎng)給點(diǎn)燃;而去年GAN一個(gè)典型的應(yīng)用就是GAN快充，目前主流手機(jī)廠商均已發(fā)布氮化鎵快充產(chǎn)品。
當(dāng)然，上述所列舉的應(yīng)用只是第三代半導(dǎo)體的“冰山一角”，伴隨著5G、新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通等下游應(yīng)用快速發(fā)展，以及國(guó)家政策的大力扶持下，第三代半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模正在持續(xù)增長(zhǎng)，其中2020年三代半襯體材料的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到9.97億元，同比增長(zhǎng)26.8%。
那么，當(dāng)前國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已發(fā)展到哪個(gè)階段?與國(guó)外頭部廠商相比是否存在技術(shù)差距?發(fā)展過(guò)程中存在哪些機(jī)遇和風(fēng)險(xiǎn)因素?為此，記者近期實(shí)地走訪調(diào)研了國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)——華潤(rùn)微，后者于去年宣布國(guó)內(nèi)首條6吋SiC晶圓生產(chǎn)線量產(chǎn)，目前公司的SiC二極管已經(jīng)小批量出貨，今年下半年或推出SiC MOSFET。
SiC二極管發(fā)展成熟
據(jù)了解，與硅相比，SiC擁有更為優(yōu)越的電氣特性，同時(shí)SiC的熱導(dǎo)率比硅更高，SiC器件也因此對(duì)散熱的設(shè)計(jì)要求更低，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。
目前，SiC的產(chǎn)業(yè)鏈主要分為：SiC襯底材料的制備、SiC的外延生長(zhǎng)、器件以及SiC模塊封裝。而在SiC領(lǐng)域，目前華潤(rùn)微主要聚焦于SiC器件的生產(chǎn)。
2020年7月，華潤(rùn)微正式發(fā)布1200V和650V 工業(yè)級(jí)SiC肖特基二極管系列產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，記者在調(diào)研中了解到，華潤(rùn)微的SiC二極管于去年下半年投入市場(chǎng)，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)前期客戶、客戶驗(yàn)證等過(guò)程，今年已經(jīng)形成一些量產(chǎn)規(guī)模(月產(chǎn)能約1000片)，主要應(yīng)用于工業(yè)類、電源類等領(lǐng)域，目前營(yíng)收約在百萬(wàn)量級(jí)。
值得注意的是，早在2001年，英飛凌就最先發(fā)布SiC肖特基功率二極管產(chǎn)品，但此后至2016年前述產(chǎn)品才真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。由于SiC二極管在應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)歷了近十年的應(yīng)用驗(yàn)證，同時(shí)其技術(shù)迭代也一直在加速，因此國(guó)內(nèi)在SiC二極管方面技術(shù)也是比較成熟，與國(guó)外廠商之間的技術(shù)差距并不大。
除SiC二極管外，SiC MOSFET也是華潤(rùn)微的研發(fā)的重點(diǎn)。記者從知情人士處獲悉，預(yù)計(jì)在今年下半年，華潤(rùn)微或?qū)⑼瞥鯯iC MOSFET產(chǎn)品，后者可聚焦新能源汽車、充電樁等應(yīng)用需求。
在SiC MOSFET方面，第三代半導(dǎo)體行業(yè)龍頭美國(guó)科銳于2011年報(bào)告了MOSFET器件的研制，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，目前以科銳、羅姆、英飛凌、ST等國(guó)外公司為代表的廠商，已經(jīng)可以提供650伏到1700伏的成熟產(chǎn)品，并且部分廠商近年在SiC MOSFET方面也在進(jìn)行大量擴(kuò)產(chǎn)。
與之相比，國(guó)內(nèi)SiC MOSFET器件尚未形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，其性能的可靠性等還需要進(jìn)一步的提升。
記者獲悉，在國(guó)內(nèi)廠商中，此前深圳基本半導(dǎo)體曾推出1200V SiC MOSFET，達(dá)到可量產(chǎn)狀態(tài);上海瞻芯電子于2018年5月成功地在一條成熟量產(chǎn)的6英寸工藝生產(chǎn)線上完成SiC MOSFET的制造流程;另外中國(guó)電科五十五所是在SiC領(lǐng)域最早布局的公司，其建有SiC6英寸的產(chǎn)線，產(chǎn)線能力是約3萬(wàn)片每年，在MOSFET方面已實(shí)現(xiàn)了650伏到1700伏MOSFET的量產(chǎn)。
產(chǎn)業(yè)進(jìn)入擴(kuò)張期
在SiC的諸多下游應(yīng)用場(chǎng)景中，電動(dòng)汽車將是SiC器件更有潛力的應(yīng)用市場(chǎng)。
有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年全球SiC市場(chǎng)將會(huì)增加到60.4億美元，到2028年市場(chǎng)增長(zhǎng)5倍。而目前全球SiC硅晶圓總產(chǎn)能約在40-60萬(wàn)片，而如果按照2022年特斯拉的交付量100萬(wàn)輛車計(jì)算，僅一個(gè)特斯拉就將消耗全球SiC硅晶圓總產(chǎn)能。
不過(guò)，有第三代半導(dǎo)體行業(yè)人士向記者表示，車廠對(duì)SiC器件的要求非常高，一方面是材料的穩(wěn)定，目前第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域都不能完全的滿足要求，更不用說(shuō)應(yīng)用在車上;其次，目前國(guó)產(chǎn)硅基器件應(yīng)用在車廠的都很少，更不用說(shuō)是SiC器件，因此雖然應(yīng)用市場(chǎng)非常的廣泛，但對(duì)國(guó)內(nèi)供應(yīng)商而言還有很長(zhǎng)的路要走。
此外，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體廠商中，更多的企業(yè)聚焦于SiC器件端，而在材料襯底端布局的企業(yè)則屈指可數(shù)，但SiC襯底不僅是產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的環(huán)節(jié)，同時(shí)，由于襯底的成本占整個(gè)器件將近一半，因此襯底成本的高低，也直接影響SiC器件價(jià)格的高低。
記者在對(duì)華潤(rùn)微調(diào)研時(shí)，企業(yè)的感受也是SiC器件的成本偏高。
而降低SiC襯底成本的方式之一是向大尺寸方向發(fā)展，即襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。目前美國(guó)科銳已成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)企業(yè)中，山東天岳目前主要是4英寸襯底，英寸襯底小批量銷售;天科合達(dá)同樣以4英寸襯底為主，正在6英寸襯底過(guò)度。
產(chǎn)能的提升也將使得襯底材料成本持續(xù)下降。據(jù)《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》白皮書顯示，為迎合市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)：天科合達(dá)、同光晶體、泰科天潤(rùn)、三安光電、英諾賽科等紛紛擴(kuò)產(chǎn)，預(yù)示著國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入擴(kuò)張期。
另外，伴隨著行業(yè)上下游廠商的博弈，以及越來(lái)越多的“后起之秀”入局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，美國(guó)科銳在SiC市場(chǎng)的份額從此前的80%，降低至當(dāng)前40%左右。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，美國(guó)科銳在SiC材料領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率會(huì)進(jìn)一步下降，直至降到30%左右，而產(chǎn)業(yè)集中度的下降必將意味著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。未來(lái)SiC襯底的價(jià)格或?qū)⒗^續(xù)以每年15%左右的速度下降。
不過(guò)也有觀點(diǎn)認(rèn)為，如果根本的技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有得到大的改進(jìn)，其實(shí)降價(jià)的空間，從襯底這個(gè)維度來(lái)看是相對(duì)有限。
從研發(fā)到規(guī)模商業(yè)化的挑戰(zhàn)
總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅瑫r(shí)發(fā)展過(guò)程中亦面臨諸多的挑戰(zhàn)。
賽迪顧問(wèn)就在其發(fā)布的《2021半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)演進(jìn)發(fā)展白皮書》中指出，目前中國(guó)的第三代半企業(yè)已經(jīng)從小批量的研發(fā)模式轉(zhuǎn)向了規(guī)模化商業(yè)化的生產(chǎn)模式，但國(guó)內(nèi)的第三代半產(chǎn)業(yè)多為高校和科研機(jī)構(gòu)技術(shù)轉(zhuǎn)化出來(lái)的企業(yè)，這些企業(yè)存在著實(shí)力相對(duì)弱小、抗風(fēng)險(xiǎn)能力差，在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位和話語(yǔ)權(quán)不足等問(wèn)題。
因此白皮書中建議，第三代半導(dǎo)體的性能和材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝它的關(guān)聯(lián)緊密，而且制造產(chǎn)線的投資額相對(duì)較低，建議國(guó)內(nèi)企業(yè)為了確保自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，可以向IDM模式轉(zhuǎn)變。
從行業(yè)角度看，包括英飛凌、ST、日本羅坶等公司均采取的IDM模式，另外美國(guó)科銳公司的SiC產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋襯底、外延及器件制作;而在國(guó)內(nèi)行業(yè)中，泰科天潤(rùn)、華潤(rùn)微、中國(guó)電科等均采取的IDM模式，另外露笑科技投資的SiC產(chǎn)業(yè)園也覆蓋晶體生長(zhǎng)、襯底制作、外延生長(zhǎng)等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。
第三代半導(dǎo)體行業(yè)人士記者表示，目前國(guó)內(nèi)做第三代半導(dǎo)體對(duì)外代工的廠商很少，因?yàn)榇さ囊饬x不大，材料成本占比很大，加工費(fèi)其實(shí)很少。
“像SiC的特性決定了其器件比較貴，不應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，也就是說(shuō)應(yīng)用場(chǎng)景要求較高，比如工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)等領(lǐng)域，因此不但產(chǎn)品的性能要達(dá)到要求，同時(shí)本身的供貨能力，供應(yīng)鏈的安全保障都有要求”，上述行業(yè)人士認(rèn)為，“像這種產(chǎn)品，價(jià)格還是其次，首先看產(chǎn)品性能是否能達(dá)標(biāo)，其次看是否能持續(xù)穩(wěn)定的供貨，這都是非常重要的指標(biāo)，因此如果是小公司，存在無(wú)法持續(xù)供貨的風(fēng)險(xiǎn)。”
此外，還需警惕行業(yè)資本過(guò)熱的現(xiàn)象。
從產(chǎn)業(yè)的政策環(huán)境來(lái)看，雖然國(guó)家和各地政府出臺(tái)了多項(xiàng)政策來(lái)促進(jìn)三代半材料產(chǎn)業(yè)的快速健康有序的發(fā)展，但三安集團(tuán)北京公司副總經(jīng)理陳東坡此前提醒，在很多二三線城市，由于對(duì)于半導(dǎo)體認(rèn)知相對(duì)低一些，對(duì)于分辨優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目和差項(xiàng)目的能力會(huì)弱一些，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致行業(yè)的資源分散，甚至有產(chǎn)能過(guò)剩的隱患。
陳東坡對(duì)此建議，首先主管部門需提升項(xiàng)目支持的精準(zhǔn)度;其次是要強(qiáng)化窗口指導(dǎo);其三是上下游協(xié)同，以下游應(yīng)用帶動(dòng)上游元器件，以下游應(yīng)用企業(yè)考核上游元器件，來(lái)解決科技成果產(chǎn)品化的問(wèn)題;第四，可以依托行的龍頭企業(yè)建立中試研發(fā)平臺(tái)。(吳凡)
