以第三代半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的新興技術(shù)正迅速崛起，其技術(shù)及應(yīng)用的突破成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。以碳化硅、氮化鎵寬禁帶化合物為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借其高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，展現(xiàn)巨大的市場前景，正成為全球半導(dǎo)體市場爭奪的焦點(diǎn)，國內(nèi)外第三代半導(dǎo)體技術(shù)、產(chǎn)品、市場、投資均呈現(xiàn)較高增長態(tài)勢。

安世半導(dǎo)體全球研發(fā)副總裁、I&M事業(yè)部總經(jīng)理Jayson Jiang
 

2021年12月，在由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中關(guān)村半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦的“2021第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展峰會”上，高效功率氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）供應(yīng)商安世半導(dǎo)體全球研發(fā)副總裁、I&M事業(yè)部總經(jīng)理Jayson Jiang，帶來了“國際第三代半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢”的主題報(bào)告，詳細(xì)分享了當(dāng)前國際第三代半導(dǎo)體市場與技術(shù)的最新發(fā)展態(tài)勢與展望。

 

 

當(dāng)前，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨復(fù)雜的內(nèi)外部環(huán)境，過去一兩年中，伴隨著新冠疫情蔓延，世界經(jīng)濟(jì)衰退，中美貿(mào)易戰(zhàn)導(dǎo)致逆全球化產(chǎn)生，國際上第三代半導(dǎo)體企業(yè)紛紛進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)張，建立技術(shù)壁壘。不過，隨著新能源汽車、 5G等產(chǎn)品市場爆發(fā)，下游企業(yè)考量供應(yīng)鏈安全、國家政策支持和資本市場活躍也為第三代半導(dǎo)體發(fā)展提供了很好的機(jī)遇。

 

從全球來看，2020年底SiC與GaN市場規(guī)模已達(dá)8.5億美元，2029年將達(dá)51億美元，其中SiC占據(jù)超過70%份額。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)用?，新能源汽車需求持續(xù)增長，至2029年市場規(guī)模將超21億美元，占比大于40%。

 

國際企業(yè)大力完善產(chǎn)業(yè)布局，強(qiáng)化競爭優(yōu)勢以搶奪日漸增長的市場份額。其中，Wolfspeed出售LED照明業(yè)務(wù)，專注SiC電力電子和GaN射頻；收了Infineon的射頻（RF）功率業(yè)務(wù)，鞏固射頻市場優(yōu)勢地位；在北卡羅來納州總部建設(shè)超級材料工廠（8英寸SiC襯底），在紐約州建設(shè)8英寸SiC電力電子和GaN射頻產(chǎn)線。2024年前，共投資10億美元，產(chǎn)能擴(kuò)充30倍。

 

ROHM于2009年收購SiCrystal，延伸至上游SiC襯底；2018年在筑后工廠新建6英寸SiC晶圓產(chǎn)線，2020年投產(chǎn)，產(chǎn)能約15萬片/年；2024財(cái)年前將進(jìn)行約600億日元投資，產(chǎn)能擴(kuò)充16倍，預(yù)計(jì)2025年在SiC功率半導(dǎo)體市場將能獲得30%左右的市場份額。其它跨國公司包括ST、Infineon等都在進(jìn)行收并購、產(chǎn)業(yè)鏈上下游整合等一系列舉措，安世半導(dǎo)體也通過收購英國晶圓廠Newport Wafer Fab提升了在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品領(lǐng)域的IDM能力，2022年安世半導(dǎo)體的SiC、GaN等產(chǎn)品都將逐步量產(chǎn)。

 

 

跨國企業(yè)紛紛加快布局，持續(xù)提升技術(shù)水平。SiC襯底和外延方面，部分器件企業(yè)選擇延伸切入該領(lǐng)域，以增強(qiáng)整體服務(wù)能力，安世半導(dǎo)體漢堡晶圓廠已部署Aixtron MOCVD設(shè)備，采用G5 WWC技術(shù)進(jìn)行SiC外延批量生產(chǎn)。技術(shù)進(jìn)展方面，8英寸是未來發(fā)展方向。6英寸SiC襯底產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商用化，幾大主流廠商均推出8英寸襯底樣品，微管密度達(dá)到0.6cm-2，預(yù)計(jì)5年內(nèi)8英寸將全面商用。SiC外延6英寸產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商用化，已經(jīng)研制出8英寸產(chǎn)品，可滿足中低壓、高壓、超高壓功率器件制備要求。

 

SiC器件方面，SiC二極管的挑戰(zhàn)和難度在不斷增加。國際上有超過20家公司量產(chǎn)SiC二極管系列產(chǎn)品，擊穿電壓主要分布在600V-3300V，單芯片導(dǎo)通電流最高達(dá)109A（Littelfuse，1200V/109A）。2020年共有約800款SiC SBD產(chǎn)品在售，中高壓商業(yè)化產(chǎn)品逐年增多。2021年第四屆進(jìn)博會上，安世半導(dǎo)體推出首款工業(yè)級650V/10A SiC肖特基二極管，并計(jì)劃持續(xù)擴(kuò)充SiC二極管產(chǎn)品組合，預(yù)計(jì)推出總共72款在650V和1200V電壓、6-20A電流范圍下工作的工業(yè)級部件和車規(guī)級部件。

 

SiC晶體管方面，國際企業(yè)密集推出新一代的SiC MOSFET。Wolfspeed、ROHM、Infineon等均已推出車規(guī)級SiC MOSFET產(chǎn)品，與國內(nèi)產(chǎn)品相比，其元胞尺寸更小、比導(dǎo)通電阻更低、閾值電壓更高。

 

SiC功率模塊方面，代表企業(yè)有Wolfspeed、Infineon、ROHM、安森美、三菱電機(jī)、富士電機(jī)、日立、Semikron等。目前SiC功率模塊最大電流容量達(dá)到1200A，最高工作溫度達(dá)到250℃。企業(yè)通過新技術(shù)（納米銅，銀燒結(jié)，銅燒結(jié)，etc）、新材料（BN, AMB）、新型封裝形式（STPAK etc）等多方面技術(shù)創(chuàng)新來提高模塊性能。

 

GaN單晶襯底方面，美、日、歐均已量產(chǎn)2英寸GaN單晶襯底，日本成功研制了4英寸GaN襯底，并突破了6英寸關(guān)鍵技術(shù)，代表企業(yè)有住友電工、三菱化學(xué)、古河機(jī)械等。

 

GaN外延各技術(shù)路線均有較大進(jìn)展，關(guān)鍵驅(qū)動因素是技術(shù)穩(wěn)定性和成本。GaN電力電子應(yīng)用方面，Si基GaN外延片主流尺寸為6英寸；藍(lán)寶石基GaN外延片尺寸為4英寸；GaN基GaN外延片主流尺寸2英寸，NexGen Power Systems和Odyssey Semiconductor已經(jīng)推出了商業(yè)化外延產(chǎn)品以及溝槽型電力電子器件。

 

GaN射頻應(yīng)用方面，SiC基GaN外延片4英寸和6英寸并存，6英寸代表企業(yè)有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企業(yè)為住友電工；Si基GaN射頻應(yīng)用屬于非主流路線，但其成本優(yōu)勢在未來有較大競爭力，外延尺寸4英寸和6英寸并存。

 

GaN光電子應(yīng)用方面，LED照明市場以及紫外LED用藍(lán)寶石基GaN外延片主流尺寸為4英寸；Mini/Micro-LED市場主推Si基GaN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)8英寸外延產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化；藍(lán)/綠光激光器GaN基GaN外延片主流尺寸2英寸，代表企業(yè)有日本日亞化學(xué)、德國歐司朗等。

 

GaN電力電子器件方面，已經(jīng)形成批量的GaN電力電子產(chǎn)品供貨能力。國際上6英寸工藝產(chǎn)線成熟，有超過10家公司量產(chǎn)GaN電力電子產(chǎn)品，其中安世半導(dǎo)體在推出了650V工業(yè)級的GaN產(chǎn)品后，也將GaN芯片引入散熱更好、寄生電感更低的新型封裝，打造完全符合車規(guī)要求的產(chǎn)品。在2021年第四屆進(jìn)博會上，安世半導(dǎo)體展示了大批GaN產(chǎn)品，包括如采用安世35千瓦GaN功率組件的新能源汽車電機(jī)控制器、50千瓦動力系統(tǒng)逆變器、3千瓦GaN DCDC車載充電器、4千瓦GaN無橋圖騰柱PFC等。其中，采用安世35千瓦氮化鎵GaN功率組件的新能源汽車電機(jī)控制器由上海汽車電驅(qū)動和安世半導(dǎo)體聯(lián)合研制，是中國首款滿足量產(chǎn)級的新能源汽車GaN電機(jī)控制器。Mouser數(shù)據(jù)顯示，約150款GaN HEMT系列產(chǎn)品在售。

 

GaN射頻器件/模塊方面，產(chǎn)品線持續(xù)擴(kuò)充完善，各類技術(shù)并行發(fā)展。截至2020年底，在售GaN射頻器件和功率放大器共計(jì)519款，GaN射頻器件最高工作頻率18GHz（Wolfspeed），輸出功率最高達(dá)到1862W（1.0-1.1GHz，Qorvo）；GaN功率放大器最大功率達(dá)到800W，最大工作頻率為38GHz。

 

SiC基GaN器件是射頻市場主流產(chǎn)品和技術(shù)解決方案。國際主流尺寸4-6英寸，4英寸產(chǎn)線代表企業(yè)為日本住友（Sumitomo）和臺灣穩(wěn)懋，在6GHz以內(nèi)各頻段都有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。6英寸產(chǎn)線主要集中在美國，代表企業(yè)Wolfspeed、Qorvo和NXP，在0.5GHz-6GHz工作頻段內(nèi)輸出功率為10W-1400W。

 

Si基GaN射頻器件并非主流方案，但考慮其成本優(yōu)勢，也有不少企業(yè)在布局，產(chǎn)線主要為4英寸/6英寸。代表性國際企業(yè)為美國MACOM公司，有4、6、8英寸Si基射頻GaN器件工藝，其0.5?m工藝提供DC到6GHz分立器件與放大器模塊，5W 6GHz的分立器件，效率>50% @ 5.8GHz。

 

GaN光電器件方面，國際上Mini/Micro-LED技術(shù)取得了較快速的進(jìn)展。巨量轉(zhuǎn)移效率不斷提升，產(chǎn)品持續(xù)創(chuàng)新，市場發(fā)展迅速。其中，ALLOS開發(fā)出200mm及300mm的GaN-on-Si Micro-LED晶圓；聞泰科技基于安世ITEC全球領(lǐng)先的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)和聞泰產(chǎn)品集成能力，成功開發(fā)出Mini/Micro LED直顯和背光產(chǎn)品，目前首批樣品已提供給多個汽車客戶測試，反饋情況非常好；X-Display與Daktronics合作，加速巨量轉(zhuǎn)移及顯示應(yīng)用技術(shù)開發(fā)；Plessey與Facebook合作打造Micro-LED, AR/VR顯示應(yīng)用，聯(lián)手Compound Photonics開發(fā)0.26英寸Micro-LED顯示器等等。

 

但當(dāng)前Micro-LED要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍有一些距離，需要解決高度一致性的外延技術(shù)、微米級的芯片制造工藝、超高效的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)、全彩實(shí)現(xiàn)技術(shù)、TFT、驅(qū)動及背板設(shè)計(jì)、高效的壞點(diǎn)檢測修復(fù)技術(shù)等難點(diǎn)。

 

小結(jié)：從全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局來看，全球第三代半導(dǎo)體仍然由美日歐企業(yè)為主導(dǎo):Wolfspeed、ROHM、Infineon、Mitsubishi和ST五家企業(yè)合計(jì)占有SiC功率半導(dǎo)體80%的市場份額;PI、Navitas、EPC、Transphorm、GaN systems、Infineon六家企業(yè)合計(jì)占有GaN功率半導(dǎo)體90%的市場份額;住友電工、Wolfspeed和Qorvo三家企業(yè)合計(jì)占有GaN射頻85%的市場份額。

 

總體上，國際龍頭企業(yè)大力完善產(chǎn)業(yè)布局，強(qiáng)化競爭優(yōu)勢，沿產(chǎn)業(yè)鏈上下游延伸趨勢日益明顯，全產(chǎn)業(yè)鏈布局進(jìn)一步提升了其競爭優(yōu)勢。在這種形勢下，國內(nèi)企業(yè)如何破局是需要國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界必須思考和面對的問題。