近年來，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體已成為群雄逐鹿之地。憑借禁帶寬大、擊穿電場強(qiáng)度高、抗輻射能力強(qiáng)等性能優(yōu)勢，第三代半導(dǎo)體可廣泛應(yīng)用于能源、交通、信息、國防等眾多領(lǐng)域，隨著5G通信、新能源汽車等應(yīng)用市場強(qiáng)勢崛起，中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，在國際巨頭筑起的高墻下奮力進(jìn)擊與突圍。
圖片來源：拍信網(wǎng)正版圖庫
國際巨頭跑馬圈地
縱觀全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，主要玩家集中在歐美日企業(yè)，包括科銳、意法半導(dǎo)體、羅姆、安森美、英飛凌、Qorvo、住友、恩智浦、三菱電機(jī)等，這些巨頭們正在不斷通過擴(kuò)大產(chǎn)能、合作結(jié)盟或兼收并購等方式在第三代半導(dǎo)體市場跑馬圈地、加速布局。
如碳化硅晶圓材料主要供應(yīng)商科銳，正在進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)。2019年5月，科銳宣布將投資10億美元用于擴(kuò)大SiC碳化硅產(chǎn)能，建造一座200mm碳化硅生產(chǎn)工廠（NorthFab）和一座材料超級工廠（megafactory），將帶來碳化硅晶圓制造產(chǎn)能的30倍增長和碳化硅材料生產(chǎn)的30倍增長。
2019年9月，科銳披露擴(kuò)產(chǎn)計劃進(jìn)展，原計劃的制造工廠NorthFab將在紐約州的新址進(jìn)行建造，megafactory的建造擴(kuò)產(chǎn)將繼續(xù)在公司美國總部北卡羅萊納州進(jìn)行?？其J表示，新制造工廠比之先前計劃的工廠，將帶來25%的產(chǎn)能提升。今年8月10日，科銳表示，紐約州SiC制造工廠已完成基礎(chǔ)工程施工，并開始主體工程施工。
氮化鎵材料方面亦然，據(jù)日刊工業(yè)新聞2019年11月報道，為了搶攻5G服務(wù)相關(guān)商機(jī)，住友化學(xué)旗下子公司SCIOCS將使用于基地臺用高頻元件的氮化鎵外延晶圓產(chǎn)能提高至2017年的3倍水平。
上游材料廠商大幅擴(kuò)產(chǎn)的同時，中游企業(yè)則不斷與其合作以期鎖定材料產(chǎn)能。近兩年來，英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美等企業(yè)相繼與科銳簽署了碳化硅晶圓長期/多年供應(yīng)協(xié)議。
今年年初，意法半導(dǎo)體還與羅姆旗下碳化硅晶圓廠商SiCrystalGmbH達(dá)成碳化硅晶圓長期供應(yīng)協(xié)議；3月，GTAT和安森美簽署協(xié)議，GTAT將向安森美生產(chǎn)和供應(yīng)CrystX碳化硅材料，安森美將使用GTAT專有的150mm碳化硅晶體來制造碳化硅晶圓。
除了提前鎖定上游材料貨源，英飛凌等IDM廠商或器件廠商還采取了收購、合作等方式，整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈資源以加速布局。
如英飛凌早于2018年11月收購了擁有碳化硅晶圓冷切割技術(shù)的初創(chuàng)公司Siltectra；2019年12月，意法半導(dǎo)體完成收購瑞典碳化硅晶圓廠商N(yùn)orstelAB；今年3月，意法半導(dǎo)體再宣布收購法國氮化鎵創(chuàng)新企業(yè)Exagan公司的多數(shù)股權(quán)。再如前不久，II-VIIncorporated宣布收購碳化硅外延晶片和器件企業(yè)AscatronAB的所有已發(fā)行股份。
值得一提的是，除了IDM/器件廠商，臺積電等晶圓代工廠亦已聯(lián)手中游企業(yè)積極布局。今年2月，臺積電和意法半導(dǎo)體合作加速氮化鎵制程技術(shù)的開發(fā)，并將分離式與整合式氮化鎵元件導(dǎo)入市場。據(jù)了解，除了臺積電，世界先進(jìn)、聯(lián)電等晶圓代工廠亦已在布局第三代半導(dǎo)體，投入氮化鎵等制程開發(fā)。
國內(nèi)企業(yè)競相卡位
國際企業(yè)加碼布局，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展亦風(fēng)頭正盛，擴(kuò)產(chǎn)、投資等如火如荼，從今年新開工以及新規(guī)劃的相關(guān)項(xiàng)目可見一斑。
今年3月，浙江博方嘉芯集成電路科技有限公司氮化鎵射頻及功率器件項(xiàng)目參與浙江嘉興南湖區(qū)一季度重大項(xiàng)目集中開竣工活動，4月10日正式樁基開工。該項(xiàng)目總投資25億元，將引進(jìn)6英寸晶圓生產(chǎn)線兼容4英寸氮化鎵生產(chǎn)線設(shè)備，項(xiàng)目分兩期實(shí)施，預(yù)計一期明年投產(chǎn)。
6月16日，三安光電公告宣布，將在長沙投資建設(shè)包括但不限于碳化硅等化合物第三代半導(dǎo)體的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，包括長晶—襯底制作—外延生長—芯片制備—封裝產(chǎn)業(yè)鏈，投資總額160億元。7月20日，長沙三安第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目開工。
三安光電160億項(xiàng)目剛落地，又一個百億項(xiàng)目隨后而至。8月9日，露笑科技宣布，將與合肥市長豐縣人民政府在合肥市長豐縣共同投資建設(shè)第三代功率半導(dǎo)體（碳化硅）產(chǎn)業(yè)園，包括但不限于碳化硅等第三代半導(dǎo)體的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，包括碳化硅晶體生長、襯底制作、外延生長等的研發(fā)生產(chǎn)，項(xiàng)目投資總規(guī)模預(yù)計100億元。
緊接著8月17日，天科合達(dá)第三代半導(dǎo)體碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)項(xiàng)目正式開工。該項(xiàng)目是天科合達(dá)自籌資金建設(shè)的用于碳化硅晶體襯底研發(fā)及生產(chǎn)的項(xiàng)目，總投資約9.5億元，總建筑面積5.5萬平方米，新建一條400臺/套碳化硅單晶生長爐及其配套切、磨、拋加工設(shè)備的碳化硅襯底生產(chǎn)線，計劃于2022年年初完工投產(chǎn)，建成后可年產(chǎn)碳化硅襯底12萬片。
據(jù)筆者不完全統(tǒng)計，今年1-8月所披露新開工以及新簽約第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的投資總額已超450億元，其中包括兩家上市公司三安光電與露笑科技，事實(shí)上兩者在此前已在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域有所投資，尤其是三安光電已布局多年，如今再斥下巨資投建項(xiàng)目，可見十分看好對第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。
事實(shí)上，還有華潤微、賽微電子、聞泰科技、士蘭微、揚(yáng)杰科技、亞光科技、聚燦光電等一眾知名上市公司亦正在布局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。如華潤微正在進(jìn)行氮化鎵與碳化硅器件的研發(fā)與生產(chǎn)，今年7月華潤微宣布正式向市場投放1200V和650V工業(yè)級SiC肖特基二極管功率器件產(chǎn)品系列，同時其6英寸商用SiC晶圓生產(chǎn)線正式量產(chǎn)。
除了企業(yè)投資外，近年來全國各地布局發(fā)展第三代半導(dǎo)體，初步形成了京津冀、長三角、珠三角、閩三角、中西部等五大重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，北京、河北、山東、浙江、江蘇、廣東、福建、重慶、成都、陜西等省市均著手布局，并發(fā)展起多個產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，包括北京順義第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、山東濟(jì)南寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)小鎮(zhèn)、深圳坪山第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)等。
至此，第三代半導(dǎo)體已吸引了國內(nèi)各省地政府、大中小企業(yè)以及各界資本的投資布局，后續(xù)預(yù)期仍將有更多企業(yè)及資本入場。
下游市場需求崛起
上中游企業(yè)火熱加速布局，最大的驅(qū)動力無疑來源于下游終端應(yīng)用的市場需求。隨著碳化硅、氮化鎵襯底、外延片質(zhì)量持續(xù)提升，上游材料產(chǎn)能不斷擴(kuò)張，碳化硅、氮化鎵器件與傳統(tǒng)器件價差持續(xù)縮小、性能日益穩(wěn)定及提高，進(jìn)一步獲得下游認(rèn)可。
如氮化鎵電力電子器件正在火熱應(yīng)用于消費(fèi)電子快充市場，尤其在智能手機(jī)領(lǐng)域。今年2月，小米新品發(fā)布會上推出明星產(chǎn)品65WGaN充電器，引爆市場對GaN的關(guān)注；隨后4月，華為在其P40系列國行版線上發(fā)布會上亦推出了GaN雙口超級快充充電器；而在去年10月，OPPORenoAce正式發(fā)布，亦標(biāo)配65W超級閃充GaN充電器……
智能手機(jī)廠商相繼推出氮化鎵快充，眾多配件廠商亦然。據(jù)了解，Anker早于2018年10月便已發(fā)布GaN充電器，隨后包括Baseus、RAVPower、UIBI、ZMI等廠商均發(fā)布了氮化鎵快充產(chǎn)品，在今年CES2020上，包括Anker在內(nèi)的30家廠商推出了66款氮化鎵快充產(chǎn)品，可見氮化鎵快充產(chǎn)品在消費(fèi)電子終端市場之火熱。
在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用迅速起量的同時，氮化鎵電子電力器件在5G通信、新能源汽車的等領(lǐng)域亦加速滲透，尤其在今年國家提出“新基建”，氮化鎵市場應(yīng)用得到進(jìn)一步擴(kuò)大。
5G時代到來，5G基站和通信設(shè)備對射頻微波器件如PA（功率放大器）等提出了更高要求，而氮化鎵功率放大器件尤其適用于大功率通信基站、雷達(dá)等系統(tǒng)，5G通訊基站采用氮化鎵射頻器件已成為業(yè)界共識。
有市場調(diào)研機(jī)構(gòu)認(rèn)為，氮化鎵材料將逐步替代替代SiLDMOS大幅運(yùn)用于PA，而5G通信將為氮化鎵器件帶來非常明顯的需求增長。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年全球GaN射頻器件市場規(guī)模達(dá)到5.27億美元，預(yù)計2023年將達(dá)到13.24億美元。此外，國防軍事與航天等領(lǐng)域需求也將持續(xù)推動氮化鎵射頻市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。
碳化硅方面，新能源汽車和充電樁市場是碳化硅功率器件市場增長的重要動力。近年來，新能源汽車迅速崛起，特斯拉Tesla在其Model3的逆變器率先采用了意法半導(dǎo)體的碳化硅功率模塊，緊接著眾多整車廠商快速跟進(jìn)，開始大量推進(jìn)碳化硅解決方案在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。據(jù)了解，國際上已有超過20家汽車廠商在車載充電機(jī)中使用碳化硅器件，國內(nèi)廠商如比亞迪等亦紛紛加碼碳化硅器件在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
充電樁是新能源汽車發(fā)展的必備設(shè)施，而在其成本構(gòu)成中占比達(dá)60%的充電機(jī)、變壓器等核心部件需大量使用功率半導(dǎo)體，相比傳統(tǒng)的硅器件，碳化硅功率器件在充電樁領(lǐng)域應(yīng)用可以提升電源系統(tǒng)開關(guān)頻率和效率等，相關(guān)企業(yè)正加速將碳化硅功率器件在充電樁市場的應(yīng)用。
此外，今年以來國家提出加速發(fā)展“新基建”，新基建所覆蓋的5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域均將為氮化鎵、碳化硅等第三代半導(dǎo)體帶來市場需求。
產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)替代現(xiàn)狀
市場風(fēng)口已至，那么第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)替代現(xiàn)狀到底如何？
整體而言，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，不過這些年在國家政策支持、市場需求驅(qū)動下，產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，已基本形成了涵蓋上游襯底、外延片，中游器件設(shè)計、器件制造及模塊，下游應(yīng)用等環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)鏈布局。
氮化鎵方面，我國襯底企業(yè)主要有東莞中稼半導(dǎo)體、蘇州納維科技、鎵特半導(dǎo)體等，外延片企業(yè)主要有晶湛半導(dǎo)體、聚能晶源、世紀(jì)金光、聚力成半導(dǎo)體等，器件設(shè)計方面有賽微電子，制造企業(yè)主要有海威華芯、廈門三安集成等，IDM企業(yè)主要有能訊高能半導(dǎo)體、能華微電子、英諾賽科、大連芯冠科技、華功半導(dǎo)體以及中電科十三所、中電科五十五所等。
碳化硅方面，我國襯底企業(yè)主要有山東天岳、天科合達(dá)、中科鋼研節(jié)能、世紀(jì)金光等，外延片企業(yè)主要有瀚天天成、天域半導(dǎo)體、世紀(jì)金光等，器件制造方面有廈門三安集成、海威華芯等，IDM企業(yè)主要有泰科天潤、中車時代、世紀(jì)金光、芯光潤澤以及中電科十三所、中電科五十五所等。
歷經(jīng)多年的沉淀與積累，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已有了長足進(jìn)步。根據(jù)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的報告，2019年我國第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)已基本完成從小批量的研發(fā)向規(guī)?；⑸虡I(yè)化的跨越。
材料方面，2019年GaN襯底已實(shí)現(xiàn)2-3英寸襯底小批量產(chǎn)業(yè)化，4英寸可提供樣品；用于電力電子器件的Si基GaN外延基本實(shí)現(xiàn)6英寸產(chǎn)業(yè)化和8英寸材料的樣品研發(fā)。SiC襯底4英寸導(dǎo)電和半絕緣襯底已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，6英寸導(dǎo)電襯底小批量供貨，已經(jīng)研制出8英寸襯底；SiC同質(zhì)外延目前商業(yè)化的尺寸為4-6英寸等。
器件方面，2019年商業(yè)化的Si基GaNHEMT最高電壓為650V；硅基GaN射頻器件性能位于國際前列水平，工作頻率145GHz-220GHz，已實(shí)現(xiàn)規(guī)模量化供貨。SiC器件國內(nèi)外產(chǎn)品涵蓋的電壓等級已經(jīng)基本無差別，SiCSBD覆蓋600V-3300V的電壓范圍；SiCMOSFET方面，全SiC功率模塊最高規(guī)格為1200V/600A等。
不過，目前全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大部分市場份額仍被美國、歐洲、日本等國家地區(qū)企業(yè)所占據(jù)，我國第三代半導(dǎo)體企業(yè)在產(chǎn)能規(guī)模、解決方案、市場渠道以及品牌信任度等方面均與國際企業(yè)有較大差距，如今正在努力追趕中。
結(jié)語
盡管與國際巨頭仍有差距，但中國作為全球最大的半導(dǎo)體消費(fèi)市場，在市場風(fēng)口到來、產(chǎn)業(yè)火熱加碼布局等利好因素加持下，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)擊前行。隨著相關(guān)企業(yè)持續(xù)擴(kuò)增產(chǎn)能、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品可靠性，國產(chǎn)第三代半導(dǎo)體器件在下游應(yīng)用市場的滲透率將日漸提升，進(jìn)一步推動國產(chǎn)替代進(jìn)程。（來源：全球半導(dǎo)體觀察）
更多LED相關(guān)資訊，請點(diǎn)擊LED網(wǎng)或關(guān)注微信公眾賬號（cnledw2013）