新基建帶動下的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇

程星華

（中國電子工程設(shè)計院有限公司）

1 引言

隨著5G技術(shù)的加速應(yīng)用，特別是國家“新基建”政策的出臺，第三代半導(dǎo)體逐漸進入大眾視野，成為投資追捧的熱點領(lǐng)域。國家也計劃把第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入“十四五”規(guī)劃，在2021-2025年期間，舉全國之力，在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等各個方面，大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨立自主，不再受制于人。

近年來，隨著材料、器件、工藝和應(yīng)用方面的一系列技術(shù)創(chuàng)新和突破，第三代半導(dǎo)體材料正以其優(yōu)良的性能突破傳統(tǒng)硅基材料瓶頸。第三代半導(dǎo)體擁有巨大的發(fā)展空間和良好的市場前景，催生著上萬億元的潛在市場，有望引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命[1]。

2 第三代半導(dǎo)體

半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。國際上一般把禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3 eⅤ的半導(dǎo)體材料稱之為寬禁帶半導(dǎo)體材料，也稱第三代半導(dǎo)體材料。常見的第三代半導(dǎo)體材料包括：碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石、氧化鋅（ZnO）、氮化鋁（AlN）等。第一代半導(dǎo)體材料指鍺（Ge）和硅（Si），50年代Ge在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，主要用于低電壓、低頻、中功率器件，由于耐高溫、抗輻射性能較差，60年代后期逐漸被Si取代。Si在自然界儲量大，大尺寸晶圓制備技術(shù)、芯片制造工藝成熟，Si基芯片產(chǎn)業(yè)遵循摩爾定律快速發(fā)展，應(yīng)用于分立器件、集成電路，目前全球95%以上的半導(dǎo)體芯片和器件是用Si作為基礎(chǔ)材料生產(chǎn)的，目前商用晶圓尺寸已經(jīng)拓展到12英寸（300mm）。第二代半導(dǎo)體材料主要是指以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，發(fā)展于20世紀(jì)80年代，具有載流子濃度低、光電特性好、耐熱、抗輻射等特性，主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，但由于資源稀缺、大尺寸制備困難、價格貴、有毒性、污染環(huán)境，應(yīng)用受到一定局限。以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展于20世紀(jì)90年代，具有耐高溫、耐高壓、高電流、高頻、低導(dǎo)通電阻等特點，廣泛應(yīng)用于高電壓、高功率、高頻領(lǐng)域。第一代半導(dǎo)體屬于元素半導(dǎo)體，第二代和第三代半導(dǎo)體都屬于化合物半導(dǎo)體。

3 第三代半導(dǎo)體材料性能優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域

相比第一、二代半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體具有禁帶寬度更寬、電子漂移飽和速率更高、絕緣擊穿場強更高、熱導(dǎo)率更高等特點。其具體性能參數(shù)指標(biāo)見表1。

與Si材料相比，SiC和GaN禁帶寬度約為Si的3倍，擊穿場強超過10倍，具有低導(dǎo)通損耗，適用于高壓高功率器件；SiC熱導(dǎo)率約為Si的3.3倍，具有良好的散熱特性，可以減少器件體積，適用于高溫器件；GaN的電子漂移飽和速率為Si的2.5倍，有利于簡化外圍組件降低成本，適用于高頻率器件。

因此，在應(yīng)用領(lǐng)域，如圖1所示，GaN的優(yōu)勢在高頻領(lǐng)域，目前主要集中在1000Ⅴ以下，例如通信基站、消費電子等；SiC的優(yōu)勢在高溫和1200Ⅴ以上的高壓電力領(lǐng)域，包括智能電網(wǎng)、光伏逆變器、高鐵、新能源汽車、工業(yè)電機等；在中低頻、中低功率領(lǐng)域，GaN和SiC都可以應(yīng)用，與傳統(tǒng)Si基器件進行競爭（見圖2）。

表1 主要半導(dǎo)體材料性能參數(shù)表

圖1 主要半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域

圖2 第三代半導(dǎo)體應(yīng)用分類

按器件功能分，如圖2所示，第三代半導(dǎo)體主要應(yīng)用在功率器件、微波射頻器件、光電子器件中。功率器件（Power Device）也稱電力電子器件[3]，主要用于電氣工程、電力系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載要求處理電路中電力轉(zhuǎn)換，具有處理高電壓、大電流的能力，電壓處理范圍從幾十伏～幾千伏，電流能力最高可達幾千安，典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理。射頻器件（Radio Frequency Device）指頻率范圍在300kHz～300GHz之間，具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的器件，在無線通訊中扮演數(shù)字信號和電磁波信號轉(zhuǎn)換的角色，是無線通訊設(shè)備中的基礎(chǔ)性零部件，包括濾波器、功率放大器（PA）、雙工器、射頻開關(guān)、低噪放大器、天線等。目前射頻器件市場主要有GaAs、Si LDMOS、GaN三種工藝，GaAs器件功率較低，通常低于50W；Si LDMOS工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下；GaN則彌補了GaAs和Si LDMOS的技術(shù)缺陷，同時擁有高頻性能和高功率處理能力。光電子器件指利用光-電子（或電-光子）轉(zhuǎn)換效應(yīng)制成的各種功能器件。SiC主要用于功率器件，應(yīng)用范圍覆蓋從低壓到高壓各領(lǐng)域；GaN主要用于射頻器件，同時用于功率器件[2]。在成本因素下，未來可取代相應(yīng)Si基器件（見圖3）。

4 新基建帶動下第三代半導(dǎo)體發(fā)展機遇

當(dāng)下，我國經(jīng)濟發(fā)展最大的驅(qū)動力當(dāng)屬“新基建”?！靶禄ā敝饕敲嫦蛭磥頂?shù)字經(jīng)濟時代，基于新一代信息技術(shù)應(yīng)用與融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施?！靶禄ā卑ㄈ矫鎯?nèi)容：一是信息基礎(chǔ)設(shè)施，主要指基于5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)演化生成的基礎(chǔ)設(shè)施；二是融合基礎(chǔ)設(shè)施，主要指深度應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，支撐傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型升級，進而形成的融合基礎(chǔ)設(shè)施；三是創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，主要指支撐科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品研制的具有公益屬性的基礎(chǔ)設(shè)施。涉及領(lǐng)域主要包括5G基站、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁等七大方向?！靶禄ā备鱾€產(chǎn)業(yè)建設(shè)都與半導(dǎo)體息息相關(guān)，特別是第三代半導(dǎo)體，由于其特殊性能是支持“新基建”的核心材料，其應(yīng)用包括以下領(lǐng)域（見表2）。

4.1 5G基站

5G技術(shù)涵蓋毫米波頻率，基站帶寬要求達1GHz，大規(guī)模MIMO(Multi-Input Multi-Output)天線以64T64R陣列天線為主，功率放大器需求量從4G的12個增加到192個，基站密度和基站數(shù)量會大幅增加，射頻器件是基站設(shè)備中主要的能耗部件，大帶寬、高效率、小體積，輕質(zhì)量、低成本的射頻功率器件需求日益迫切。GaN以更高的功率密度實現(xiàn)小型化與系統(tǒng)集成，相同性能下，GaN射頻芯片是GaAs芯片面積的1/10，是Si LDMOS面積的1/7；與SiGe基MIMO天線相比，GaN可以使功率損耗降低40%，裸片面積減少94%，成本降低80%。

4.2 新能源汽車充電樁

充電模塊是充電樁的重要組成部件，其成本占設(shè)備總成本的50%，對新能源電動汽車而言，提升充電速度和降低充電成本是行業(yè)發(fā)展的兩大目標(biāo)。SiC MOSFET可以使電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，電源整體效率更高，進而實現(xiàn)充電速度的提升和充電成本的降低。目前我國充電樁保有量達到121.9萬個，車樁比約為3.4：1，與國家規(guī)劃的1：1目標(biāo)相比仍有巨大市場空間，SiC器件在電動汽車充電樁領(lǐng)域平均滲透率約為10%。

在新能源汽車中，功率器件是電驅(qū)動系統(tǒng)的主要組成部分，對其效率、功率密度和可靠性起著主導(dǎo)作用。目前，新能源汽車電驅(qū)動部分主要由硅基功率器件組成。隨著電動汽車的發(fā)展，對電驅(qū)動的小型化和輕量化提出了更高的要求。2018年，特斯拉推出了第一款采用SiC MOSFET主驅(qū)動控制器的電動汽車（Model3），每個逆變器包含24個SiC MOSFET模塊，車身比Model S減小了20%，開關(guān)損耗降低75%，逆變器效率提升5%～8%。

4.3 數(shù)據(jù)中心

服務(wù)器電源是服務(wù)器的能源庫，為服務(wù)器提供電能，保證服務(wù)器系統(tǒng)正常運行。在服務(wù)器電源中使用SiC功率器件，可以提升服務(wù)器電源的功率密度和效率，整體上縮小數(shù)據(jù)中心的體積，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心整體建設(shè)成本的降低，同時實現(xiàn)更高的環(huán)保效率。

GaN功率器件可用于從交流到直流的電源轉(zhuǎn)換，以及轉(zhuǎn)換負(fù)載的直流電源，整體效率相比Si器件可提高10%，功率密度增加25%以上。

4.4 特高壓

特高壓作為大型系統(tǒng)工程，將催生從原材料到元器件等一系列需求。功率器件是輸電端特高壓直流輸電中柔性輸電技術(shù)和變電端電力電子變壓器的關(guān)鍵器件。直流斷路器作為柔性直流輸電的關(guān)鍵部分之一，其可靠性對整個輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較大影響。由于直流斷路器整體電壓高，受限Si器件目前電壓等級，使用傳統(tǒng)Si基器件設(shè)計需要多級子單元串聯(lián)，使用高電壓SiC器件可以大大減少串聯(lián)子單元數(shù)量，在直流斷路器中具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.5 城際軌道交通

未來軌道交通對電力電子裝置如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。SiC功率器件可以大幅度提高功率密度和工作效率，進一步實現(xiàn)設(shè)備高效率化和小型化，明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)，未來SiC混合模塊將首先開始替代部分Si IGBT模塊，隨著SiC器件容量的提升，將在軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

表2 第三代半導(dǎo)體在“新基建”驅(qū)動下主要應(yīng)用場景

5 第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)包括單晶襯底、外延片、器件設(shè)計、器件制造、封裝測試、整機終端。與Si材料不同，SiC和GaN器件不能直接制作在單晶襯底上，必須在襯底上生長高質(zhì)量外延材料，在外延層上制造各類器件。

SiC功率器件用外延片主要生長在SiC單晶襯底上。GaN器件根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域不同襯底材料主要包括藍(lán)寶石、GaN、Si、SiC，其中藍(lán)寶石襯底目前最大尺寸為6in（152mm），生產(chǎn)GaN外延片質(zhì)量好，價格便宜，主要用于光電子器件中LED芯片，由于其與GaN晶格失配度較大，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性差，無法用于射頻器件；GaN單晶襯底目前量產(chǎn)最大尺寸為2 in（50mm），外延片質(zhì)量極好，但價格昂貴，目前主要用于光電子器件中激光器；Si單晶襯底是GaN功率器件最主要的襯底材料，外延片質(zhì)量良好，最大應(yīng)用尺寸為8 in（203mm），價格便宜，是消費電子電源芯片最主要選擇；SiC襯底目前國內(nèi)量產(chǎn)尺寸為4in～6in（101mm～152mm），SiC襯底與GaN的失配小，生長的GaN外延片質(zhì)量很好，同時SiC襯底熱導(dǎo)率高，散熱性能好，但價格貴，主要應(yīng)用于5G基站射頻前段芯片、軍用雷達等領(lǐng)域。單晶襯底和外延片的材料制造能力、晶圓尺寸、性能參數(shù)決定了第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平及進程（見圖3）。

Si單晶主要采用直拉法，72h可生長出2m～3m左右的硅單晶棒，一根單晶棒一次能切下上千片硅片，8in（203mm）硅片價格約300元，12in（305mm）硅片價格約為850元左右，12in（305mm）是高端IC芯片主流尺寸。

SiC沒有液態(tài)，只有固態(tài)和氣態(tài)，升華溫度約2700℃，不能用拉硅單晶的方法制備。目前制備半導(dǎo)體級高純度SiC單晶，主要為Lely改良法，最快的SiC單晶生長方法，生長速度在每小時0.1mm～0.2mm左右，72h僅生長7.2mm～14.4mm。目前國產(chǎn)4in（101mm）SiC襯底售價在4000元～10000元左右，6in（152mm）更是達到10000元～15000元的水平。

圖3 GaN/SiC不同襯底應(yīng)用情況

GaN極其穩(wěn)定，熔點約為1700℃，具有高電離度，很難采用熔融的結(jié)晶技術(shù)制作GaN襯底。目前主要在藍(lán)寶石襯底上生長GaN厚膜，然后通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和厚膜分離，將分離后的GaN厚膜做為外延用襯底，主流尺寸為2in（50mm）。由于價格昂貴，限制了GaN厚膜襯底的應(yīng)用[4]。

從全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局來看，主要包括日本、美國、歐洲、中國。其中日本技術(shù)力量雄厚，產(chǎn)業(yè)鏈完整，在設(shè)備和模塊開發(fā)方面處于領(lǐng)先地位。美國在SiC領(lǐng)域占據(jù)最大市場份額，同時擁有GaN完整產(chǎn)業(yè)鏈。歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、設(shè)計及制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈，擁有英飛凌、意法半導(dǎo)體等國際頂級制造商。

SiC產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)美、日、韓三足鼎立局面，美國最大，前五大廠商占據(jù)90%市場份額，科銳、英飛凌、羅姆三家公司占據(jù)全球70%～80%的市場份額，全球SiC襯底幾乎由Cree一家主導(dǎo)，占據(jù)了全球近40%的市場份額。商業(yè)模式方面以IDM模式為主流趨勢，強大的IDM能力是構(gòu)建高壁壘和高毛利的關(guān)鍵，可以將各環(huán)節(jié)成本壓至最低。中國未來將是最大的SiC市場，國產(chǎn)替代需求強烈，目前國內(nèi)已有天科合達、山東天岳、中電科55所、世紀(jì)金光、基本半導(dǎo)體、泰科天潤、瀚天天成、三安光電等，國內(nèi)IGBT龍頭企業(yè)和傳統(tǒng)功率器件企業(yè)在積極布局SiC產(chǎn)業(yè)（見圖4）。

GaN產(chǎn)業(yè)，住友電工和科銳是全球GaN射頻器件領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，市場占有率均超過30%，其次為Qorvo和MACOM。蘇州納維科技，是國內(nèi)唯一一家，國際上少有的幾家能批量生產(chǎn)2in（50mm）GaN的企業(yè)；東莞中鎵，建成國內(nèi)首家專業(yè)氮化鎵襯底生產(chǎn)線，可以制備出1100μm的自支撐GaN襯底；蘇州晶湛、聚能晶源均可以生產(chǎn)8in（203mm）硅基氮化鎵外延片；世紀(jì)金光，是涵蓋SiC、GaN單晶、外延、器件、模塊研發(fā)設(shè)計生產(chǎn)銷售一體的公司；潤微電子收購中航微電子，擁有8in（203mm）硅基氮化鎵生產(chǎn)線和國內(nèi)首個600Ⅴ/10AGaN器件產(chǎn)品；士蘭微，擁有6in（152mm）硅基氮化鎵功率器件生產(chǎn)線（見圖5）。

圖4 SiC產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)國內(nèi)外主要代表企業(yè)

圖5 GaN產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)國內(nèi)外主要代表企業(yè)

近年來，在國家政策的大力支持下，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)線陸續(xù)投產(chǎn)，產(chǎn)能不斷增加。2019年，國內(nèi)SiC襯底折合4in（50mm）產(chǎn)能約為70萬片/a，SiC外延片折算6in（152mm）產(chǎn)能約為20萬片/a；國內(nèi)Si基GaN外延片（不含LED）折算6in（152mm）產(chǎn)能約為20萬片/a，Si基GaN器件（不含LED）折算6in（152mm）產(chǎn)能約為19萬片/a，SiC基GaN外延片折算4in（50mm）產(chǎn)能約為10萬片/a，SiC基GaN器件折算4in（50mm）產(chǎn)能約為8萬片/a。

6 結(jié)語

未來，隨著“新基建”的帶動，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將迎來廣闊發(fā)展機遇，產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵在上游材料、設(shè)備研發(fā)，以及高端技術(shù)人才，通過降低襯底缺陷、提高良率，做到大尺寸、低成本，進而推動第三代半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域和Si基功率器件的替代空間。