近日，第七屆國際第三代半導(dǎo)體論壇暨第十八屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（IFWS & SSLCHINA 2021）在深圳會(huì)展中心舉行。本屆論壇由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）聯(lián)合主辦，北京麥肯橋新材料生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)共同承辦。
期間，由山西爍科晶體有限公司協(xié)辦支持的“碳化硅襯底與外延“論壇如期舉行。
當(dāng)前，中國集成電路發(fā)展勢(shì)頭兇猛，第三次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移趨向中國。摩爾定律放緩，集成電路發(fā)展分化?；衔锇雽?dǎo)體材料發(fā)展正當(dāng)其時(shí)。2020年，我國芯片進(jìn)口超過3500億美元，芯片自給率不足20%。全球經(jīng)濟(jì)開始復(fù)蘇，一“芯” 難求（汽車電子），美國限制中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向高端發(fā)展，打壓持續(xù)升級(jí)。國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)迎來新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。各經(jīng)濟(jì)體以前所未有的力度扶持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，我國也將SiC、GaN列入十四五發(fā)展規(guī)劃。
會(huì)上，山西爍科晶體有限公司總助馬康夫帶來了”化合物半導(dǎo)體材料發(fā)展展望“的主題報(bào)告，報(bào)告分享了目前化合物半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)情況，并從半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程、政策支持、主要性能優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用場(chǎng)景等方面分析了半導(dǎo)體材料發(fā)展的必要性。報(bào)告中對(duì)典型半導(dǎo)體材料(砷化鎵、磷化銦、碳化硅、氮化鎵)的市場(chǎng)情況、發(fā)展現(xiàn)狀等進(jìn)行了概述。并詳細(xì)分享了碳化硅材料的技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展?fàn)顩r。
當(dāng)前化合物半導(dǎo)體材料新應(yīng)用場(chǎng)景開拓，市場(chǎng)快速增長。其中，磷化銦應(yīng)用涵蓋光纖通信、光電器件、醫(yī)療及傳感等多種領(lǐng)域。所制備的1.3~1.6μm光源和探測(cè)器已廣泛用于光纖通信中；光電器件方面得到廣泛應(yīng)用。
磷化銦襯底材料處于光通信產(chǎn)業(yè)鏈上游，國外壟斷格局明顯。由于在磷化銦單晶生長設(shè)備和技術(shù)方面存在較高壁壘，市場(chǎng)以少數(shù)幾家國外廠商為主，日本住友、日本能源、美國AXT(中國生產(chǎn))、法國InPact、英國WaferTech 5家廠商占據(jù)了全球近80%的市場(chǎng)份額。
根據(jù)Semiconductor Today預(yù)測(cè)，2024年全球磷化銦應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將提高到1.7億美元，復(fù)合增長率為14%。數(shù)通光模塊在IDC高速增長下市場(chǎng)規(guī)模增量有望升級(jí)，2024年增長至0.96億美元、占比56%。電信光模塊應(yīng)用在5G驅(qū)動(dòng)下增長穩(wěn)定，2024年增長至0.53億美元、占比31%。
磷化銦2英寸襯底需求目前占主導(dǎo)地位，4英寸需求未來穩(wěn)步增加。根據(jù)《中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度報(bào)告》預(yù)測(cè)，2021年全球2英寸磷化銦襯底需求達(dá)到約400萬片，Yole預(yù)測(cè)2021年4英寸磷化銦襯底需求約105萬片。其中中國大陸2英寸襯底需求預(yù)期2021年會(huì)達(dá)到40萬片。而未來全球4英寸襯底的需求預(yù)期2024年擴(kuò)張至約160萬片，其中數(shù)通領(lǐng)域的應(yīng)用料將逐步增加并在未來超過電信領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。
氮化鋁禁帶寬度高達(dá)6.2eV，在深紫外發(fā)光波段表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如氮化鋁基紫外發(fā)光器件可以實(shí)現(xiàn)200nm~400nm全紫外波段的應(yīng)用，覆蓋紫外固化、紫外醫(yī)療、紫外催化、紫外滅菌、紫外通信、高密度存儲(chǔ)等應(yīng)用領(lǐng)域。此外，氮化鋁的高穩(wěn)定性、高聲速傳播速度特點(diǎn)，是5G通信射頻濾波、MEMS傳感器的最佳材料。
同質(zhì)外延工藝經(jīng)過近20年的發(fā)展，取得了不少進(jìn)步，目前全球范圍內(nèi)有能力小批量制備2英寸、高質(zhì)量的氮化鋁單晶襯底的機(jī)構(gòu)仍然非常有限。截至當(dāng)前，全球僅有少數(shù)幾家企業(yè)（Crystal IS Inc.、Hexatech Inc.和奧趨光電）具備小批量生產(chǎn)2英寸氮化鋁晶圓襯底能力。由于氮化鋁材料的敏感用途，美國任意尺寸的氮化鋁晶片對(duì)中國實(shí)行禁運(yùn)。
與相對(duì)較為成熟的SiC、GaN產(chǎn)業(yè)鏈相比，氮化鋁產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用才剛剛開始。在光電子器件領(lǐng)域，隨著“水俁公約”的逐步實(shí)施，高功率紫外LED芯片對(duì)氮化鋁單晶襯底有著巨大的需求。在功率電力電子領(lǐng)域，AlN功率器件具有高關(guān)態(tài)阻斷電壓、超低導(dǎo)通電阻及超快開關(guān)時(shí)間，具有優(yōu)異的高功率和高效率，綜合性能是現(xiàn)有功率器件的10倍左右。氮化鋁應(yīng)用市場(chǎng)非常值得期待。但無論是從生長理論完善、還是工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)及成本控制上，尤其是進(jìn)一步開發(fā)4英寸/6英寸可摻雜、低位錯(cuò)密度、低成本的氮化鋁單晶襯底生長技術(shù)仍是其面臨的巨大挑戰(zhàn)。
氧化鎵材料方面，近年來日本對(duì)氧化鎵(Ga2O3)的研究屢次取得進(jìn)展，使這種第四代半導(dǎo)體的代表材料走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優(yōu)的特性，以及極低的制造成本，在功率應(yīng)用方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，近幾年關(guān)于氧化鎵的研究又熱了起來。氧化鎵尺寸以前所未有的斜率快速增長，這得益于其材料可以通過液相法進(jìn)行生長，且已經(jīng)接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。很有可能在尺寸方面，即大規(guī)模制造的可能性和成本方面對(duì)上述造成后來者居上的威脅。
碳化硅材料方面，新能源汽車商用開啟、5G商用等多因素推動(dòng)，需求爆發(fā)，拐點(diǎn)臨近，行業(yè)已經(jīng)開始逐步渡過萌芽期，即將進(jìn)入快速成長期。
報(bào)告指出，碳化硅產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展面臨著問題人才稀缺、需要時(shí)間積累等難題，以及產(chǎn)能短期過剩狀況和國外降價(jià)等風(fēng)險(xiǎn)，但也有國內(nèi)外差距相對(duì)小、建廠投資少等機(jī)遇。
中電科材料公司2019年注冊(cè)成立，2020年實(shí)現(xiàn)收入27億元。
山西爍科作為一家從事第三代半導(dǎo)體碳化硅材料生產(chǎn)研發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)，是中國電科集團(tuán)“十二大創(chuàng)新平臺(tái)”之一，山西省碳化硅材料中試基地依托單位。核心團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域已經(jīng)耕耘十余年，具備碳化硅材料粉料合成、單晶生長、晶片加工、襯底檢測(cè)的全線產(chǎn)研能力，是國內(nèi)首家被報(bào)道的成功實(shí)現(xiàn)6英寸高純半絕緣4H-SiC單晶生長的單位。已經(jīng)建成目前國內(nèi)規(guī)模最大的中國電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地，實(shí)現(xiàn)了4英寸高純半絕緣4H-SiC襯底產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)下游客戶批量應(yīng)用驗(yàn)證，產(chǎn)品達(dá)到國際先進(jìn)水平。
功率微波器件的4-6英寸高純半絕緣SiC襯底制備工藝及機(jī)理研究方面。通過工藝改進(jìn)與優(yōu)化，N濃度持續(xù)降低，實(shí)現(xiàn)N濃度<1E16cm-3，與Cree水平相當(dāng)，經(jīng)鑒定技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。成為國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)4英寸軍用高純半絕緣4H-SiC襯底批量化供應(yīng)單位；國內(nèi)首次報(bào)道6英寸高純半絕緣 4H-SiC單晶襯底研制。
N型4H-SiC襯底方面，突破了8英寸籽晶粘接、擴(kuò)徑生長、應(yīng)力控制等核心技術(shù)，最終成功研制出8英寸晶體。
產(chǎn)業(yè)建設(shè)方面，中電科材料公司碳化硅產(chǎn)業(yè)園一期（2019-2022）總投資10億元。 廠房2.6萬平米，600臺(tái)碳化硅單晶生長爐，將年產(chǎn)高純晶片10萬片，N型晶片18萬片。
碳化硅產(chǎn)業(yè)園二期（2023-2025）總投資30億元， 廠房8萬平米，2000臺(tái)碳化硅單晶生長爐，將年產(chǎn)高純晶片10萬片，N型晶片150萬片。
報(bào)告表示，未來五年將是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵期。全球資本加速進(jìn)入第三代半導(dǎo)體材料、器件領(lǐng)域，產(chǎn)能大幅度提升，企業(yè)并購頻發(fā)，正處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段。我國在市場(chǎng)和應(yīng)用端有戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，正在形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)鏈，國際巨頭還未形成專利、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的完全壟斷，我們有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略引領(lǐng)，重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局
馬康夫博士，高級(jí)工程師，曾任中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所SiC材料技術(shù)專家，現(xiàn)任山西爍科晶體有限公司總經(jīng)理助理。從事SiC材料研發(fā)多年，承擔(dān)省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲山西省“三晉英才-青年優(yōu)秀人才”稱號(hào)，獲中國電子科技集團(tuán)公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。在國內(nèi)外發(fā)表相關(guān)研究論文10余篇，申請(qǐng)專利10余項(xiàng)。
（內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料整理，如有出入敬請(qǐng)諒解）
