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11 第三代半导体 SIC 材料的性能优势
SIC 材料具有明显的性能优势。 SiC 和 GaN 是第三代半导体材料，与第一 二代半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等 性能优势，所以又叫宽禁带半导体材料，特别适用于 5G 射频器件和高电压功率 器件。
12 SIC 器件的性能优势
SIC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其导通电阻可以做的更 低，体现在产品上面，就是尺寸降低，从而缩小体积，并且开关速度快，功耗相 比于传统功率器件要大大降低。
在电动车领域，电池重量大且价值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低 功耗，减小体积，那么在电池的安排上就更游刃有余；同时在高压直流充电桩中 应用 SIC 会使得充电时间大大缩短，带来的巨大 社会 效益。
根据 Cree 提供的测算: 将纯电动车 BEV 逆变器中的功率组件改成 SIC 时, 大 概可以减少整车功耗 5%-10%；这样可以提升续航能力，或者减少动力电池成本。
13制约产业发展的主要瓶颈在于成本和可靠性验证
行业发展的瓶颈目前在于 SIC 衬底成本高： 目前 SIC 的成本是 Si 的 4-5 倍， 预计未来 3-5 年价格会逐渐降为 Si 的 2 倍左右，SIC 行业的增速取决于 SIC 产业 链成熟的速度，目前成本较高，且 SIC 器件产品参数和质量还未经足够验证；
SIC MOS 的产品稳定性需要时间验证： 根据英飞凌 2020 年功率半导体应用 大会上专家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的时间还非常短，在车载领域才刚 开始商用（Model 3 中率先使用了 SIC MOS 的功率模块），一些诸如短路耐受时 间等技术指标没有提供足够多的验证，SIC MOS 在车载和工控等领域验证自己的 稳定性和寿命等指标需要较长时间。
14 SIC 产业链三大环节
SIC 产业链分为三大环节：上游的 SIC 晶片和外延→中间的功率器件的制造 （包含经典的 IC 设计→制造→封装三个小环节）→下游工控、新能源车、光伏风 电等应用。目前上游的晶片基本被美国 CREE 和 II-VI 等美国厂商垄断；国内方 面，SiC 晶片商山东天岳和天科合达已经能供应 2 英寸~6 英寸的单晶衬底，且营 收都达到了一定的规模（今年均会超过 2 亿元 RMB）；SiC 外延片：厦门瀚天天 成与东莞天域可生产 2 英寸~6 英寸 SiC 外延片。
21 应用：新能源车充电桩和光伏等将率先采用
SiC 具有前述所说的各种优势，是高压/高功率/高频的功率器件相对理想的 材料, 所以 SiC 功率器件在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对 效率、节能和损耗等指标比较看重的领域，具有明显的发展前景。
高频低压用 Si-IGBT,高频高压用 SiC MOS,电压功率不大但是高频则用 GaN。 当低频、高压的情况下用 Si 的 IGBT 是最好，如果稍稍高频但是电压不 是很高，功率不是很高的情况下，用 Si 的 MOSFET 是最好。如果既是高频又是 高压的情况下，用 SiC 的 MOSFET 最好。电压不需要很大，功率不需要很大， 但是频率需要很高，这种情况下用 GaN 效果最佳。
以新能源车中应用 SIC MOS 为例， 根据 Cree 提供的测算: 将纯电动车 BEV 逆变器中的功率组件改成 SIC 时, 大概可以减少整车功耗 5%-10%；这样可以提升 续航能力，或者减少动力电池成本。
同时 SIC MOS 在快充充电桩等领域也将大有可为。 快速充电桩是将外部交 流电,透过 IGBT 或者 SIC MOS 转变为直流电, 然后直接对新能源 汽车 电池进行 充电，对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感，因此不考虑成本，SIC MOS 比 IGBT 更有前景和需求，由于目前 SIC 的成本目前是 Si 的 4-5 倍，因此会在 高功率规格的快速充电桩首先导入。在光伏领域，高效、高功率密度、高可靠 和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势，因此基于性能更优异的 SIC 材料的光 伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。
SIC 肖特基二极管的应用比传统的肖特基二极管同样有优势。 碳化硅肖特基 二极管相比于传统的硅快恢复二极管（SiFRD），具有理想的反向恢复特性。在 器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流，反向恢复时间小 于 20ns，因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率，在相同频率下具有 更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随 着温度的上升电阻也逐渐上升，这使得 SIC 肖特基二极管非常适合并联实用， 增加了系统的安全性和可靠性。
22 空间&增速：SIC 器 件 未来 5-10 年复合 40%增长
IHS 预计未来 5-10 年 SIC 器件复合增速 40%： 根据 IHSMarkit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约 39 亿美元，受新能源 汽车 庞大需求的驱动，以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升， 预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元，18-27 年 9 年的复合增速接近 40%。
SIC MOS 器件的渗透率取决于其成本下降和产业链成熟的速度 ，根据英飞凌和国内相关公司调研和产业里的专家的判断来看，SIC MOS 渗透 IGBT 的拐点可能在 2024 年附近。预计 2025 年全球渗透率 25%，则全球有 30 亿美金 SIC MOS 器件市场，中国按照 20%渗透率 2025 年则有 12 亿美金的 SIC MOS 空间。 即不考虑SIC SBD 和其他 SIC 功率器件，仅测算替代 IGBT 那部分的 SIC MOS 市场预计2025 年全球 30 亿美金，相对 2019 年不到 4 亿美金有超过 7 倍成长，且 2025-2030 年增速延续。
23 格局：SIC 器件的竞争格局
目前，碳化硅器件市场还是以国外的传统功率龙头公司为主 ，2017 年全球市场份额占比前三的是科锐，罗姆和意法半导体，其中 CREE 从 SIC 上游材料切入到了 SIC 器件，相当于其拥有了从上游 SIC 片到下游 SIC 器件的产业链一体化能力。
国内的企业均处于初创期或者刚刚介入 SIC 领域 ，包括传统的功率器件厂商华润微、捷捷微电、扬杰 科技 ，从传统的硅基 MOSFET、晶闸管、二极管等切入 SIC 领域，IGBT 厂商斯达半导、比亚迪半导体等，但国内 当前的 SIC 器件营收规模都比较小 （扬杰 科技 最新披露 SIC 营收 2020 年上半年 1928 万元左右）；
未上市公司和单位中做的较好的有前面产业链总结中提到的一些，包括：
泰科天润： 可以量产 SiC SBD，产品涵盖 600V/5A～50A、1200V/5A～50A 和1700V/10A 系列；并且早在 2015 年，泰科天润就宣布推出了一款高功率碳化硅肖特基二极管产品，是从事 SIC 器件的较纯正的公司；
中电科 55 所： 国内从 4-6 寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装实现全产业链的单位；
深圳基本半导体 ：成立于 2016 年，由清华大学、浙江大学、剑桥大学等国内外知名高校博士团队创立，专注于 SIC 功率器件，也是深圳第三代半导体研究院发起单位之一，目前已经开始推出其 1200V 的 SiC MOSFET 产品。
31 天科合达
天科合达是国内第三代半导体材料 SIC 晶片的领军企业： 公司成立于 2006 年 9 月 12 日，2017 年 4 月至 2019 年 8 月在全国股转系统挂牌转让，2020 年 7 月拟在科创板市场上市。
公司成长速度极快，2017-2019 年公司收入由 024 亿增长至 155 亿元，两年 复合增长率 154%。
营收构成：SIC 晶片占比约为一半
公司营收由三部分构成：碳化硅晶片占比 4812%，宝石等其他碳化硅产品 占比 3665%，碳化硅单晶生长炉占比 1523%。
设备自制：从设备到 SIC 片一体化布局
公司以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料，采用物理气相传输法（PVT）生长 碳化硅晶体，加工制成碳化硅晶片；其中的碳化硅晶体的生长设备-碳化硅单晶 生长炉公司也能完成自制并对外销售。
行业格局与公司地位
公司地位：2018 年，以导电型的 SIC 来看，天科合达以 17%的市场占有率 排名全球第六，排名国内导电型碳化硅晶片第一。
32 山东天岳
1、半绝缘 SIC 片的领军企业： 公司成立于 2010 年，专注于碳化硅晶体衬底 材料的生产；公司产品主要在半绝缘型的 SIC 片。公司投资建成了第三代半导 体材料产业化基地，具备研发、生产国际先进水平的半导体衬底材料的软硬件 条件，是我国第三代半导体衬底材料行业的先进企业。
2、成长能力： 据了解，公司收入从 2018 年收入 11 亿左右增加至 2019 年超 过 25 亿总收入（其中也有约一半是 SIC 衍生产品宝石等），同比增长 100%以 上。公司的 SIC 片主要集中在半绝缘型，而天科合达主要集中在导电型。
3、华为入股： 华为旗下的哈勃 科技 投资持股山东天岳 817%。
4、生产能力（ 公司采用的是长晶炉的数量进行表征）：山东天岳的产能主 要由长晶炉的数量决定，2019 年产线上长晶炉接近 250 台，销售衬底约 25 万 片，预计年底前再购置一批长晶炉，目标增加至 550 台以上；
5、销售价格： 2018 、2019 年公司衬底平均销售价格大数大约在 6300 元/ 片、8900 元/片，预计今年的平均价格将会突破 9000 元，价格变动的主要原因 是 2,3 寸小尺寸衬底、N 型等相对低价的衬底销售占比逐步降低，高值的 4 寸 高纯半绝缘产品占比逐步提升导致单位售价提高。
6、技术实力： 山东天岳的碳化硅技术起源于山东大学晶体国家重点实验 室，公司于 2011 年购买了该实验室蒋明华院士专利，并投入了大量研发，历经 多年工艺积累，将碳化硅衬底从实验室的技术发展成为了产业化技术；山东天 岳除 30 人的研发团队外，还在海外设有 6 个联合研发中心；公司拥有专利近300 项，其中先进发明专利约 50 多项，先进实用性专利约 220 项，申请中的 发明专利约 50 多项。
33 斯达 半导
1、斯达 半导 975%的收入均是 IGBT， 是功率半导体已上市公司中最纯正的 IGBT 标的，2019 收入 78 亿（yoy+154%），归母净利润 135（yoy+398%）， IGBT 模块全球市占率 2%，排名全球第八；
2、斯达半导在积极进行第三代半导体 SIC 的布局。 公司 SiC 相关的产品 和技术储备在紧锣密鼓的进行：
3、公司在未来重点攻关技术研发与开发计划：
主要提到三项重要产品开发：1、全系列 FS-Trench 型 IGBT 芯片的研 发；2、新一代 IGBT 芯片的研发；3、SiC、GaN 等前沿功率半导体产品的研 发、设计及规模化生产：公司将坚持 科技 创新，不断完善功率半导体产业布 局，在大力推广常规 IGBT 模块的同时，依靠自身的专业技术，积极布局宽禁 带半导体模块（SiC 模块、 GaN 模块），不断丰富自身产品种类，加强自身竞 争力，进一步巩固自身行业地位。
4、公司和宇通客车等客户合作研发 SIC 车用模块
2020 年 6 月 5 日，客车行业规模领先的宇通客车宣布，其新能源技术团队 正在采用斯达半导体和 CREE 合作开发的 1200V SiC 功率模块，开发业界领先 的高效率电机控制系统，各方共同推进 SiC 逆变器在新能源大巴领域的商业化应 用。
宇通方面表示，“斯达和 CREE 在 SiC 方面的努力和创新，与宇通电机控 制器高端化的产品发展路线不谋而合，同时也践行了宇通“为美好出行”的发 展理念，相信三方在 SiC 方面的合作一定会硕果累累。”
我们在之前发布的斯达半导深度报告中测算斯达在不同 SIC 渗透率和不同 SIC 市占率情境下 2025 年收入弹性，中性预计 2025 年斯达在国内的 SIC 器件市 占率为 6-8%。 预计 2023-2024 年国内 SIC 产业链如山东天岳、三安光电等更加成 熟后，SIC 将迎来替代 IGBT 拐点，但是 IGBT 和 SIC MOS 等也将长期共存，相 信国内的技术领先优质的 IGBT 龙头斯达半导能够不断储备相关技术和产品， 积 极拥抱迎接这一行业创新。
34 三安光电
1、公司主要从事化合物半导体材料的研发与应用， 以砷化镓、氮化镓、碳 化硅、磷化铟、氮化铝、蓝宝石等半导体新材料所涉及的外延片、芯片为核心 主业，产品主要应用于照明、显示、背光、农业、医疗、微波射频、激光通 讯、功率器件、光通讯、感应传感等领域；
2、公司主业 LED 芯片，占公司营收的 80%以上，LED 是基于化合物半导 体的光电器件，在衬底、外延和器件环节具有技术互通性；
3、公司专注于化合物半导体的子公司三安集成，2019 年业务与同期相比呈 现积极变化：
1）射频业务产品应用于 2G-5G 手机射频功放 WiFi、物联网、路由器、通 信基站射频信号功放、卫星通讯等市场应用，砷化镓射频出货客户累计超过 90 家，客户地区涵盖国内外；氮化镓射频产品重要客户已实现批量。生产，产能 正逐步爬坡；
2）2020 年 6 月 18 日公司公告，三安光电决定在长沙高新技术产业开发区 管理委员会园区成立子公司投资建设包括但不限于碳化硅等化合物第三代半导 体的研发及产业化项目，包括长晶—衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产 业链，投资总额 160 亿元，公司在用地各项手续和相关条件齐备后 24 个月内完成一期项目建设并实现投产，48 个月内完成二期项目建设和固定资产投资并实现投产，72 个月内实现达产；
3） 三安集成推出的高功率密度碳化硅功率二极管及 MOSFET 及硅基氮化 镓 功率器件主要应用于新能源 汽车 、充电桩、光伏逆变器等电源市场，客户累计超过 60 家， 27 种产品已进入批量量产阶段。
4） 三安集成 19 年实现销售收入 241 亿元，同比增长 4067%； 三安集成产品的认可度和行业趋势已现，可以预见未来在第三代材料 SiC/GaN 的功率半导体中发展空间非常广阔。
35 华润微
1、公司是中国领先的拥有芯片设计、晶圆制造、封装测试等全产业链一体化经营能力的半导体企业 ，产品聚焦于功率半导体、智能传感器与智能控制领域；
2、产品与制造并行： 公司 2019 年收入 57 亿元，其中产品与方案占比438%，制造与服务占比 55%，制造与服务业务主要是晶圆制造和封测业务；产品与方案主体主要是功率半导体，占比 90%，包括 MOSFET、IGBT、SBD 和FRD 等产品；
3、公司目前拥有 6 英寸晶圆制造产能约为 247 万片/年，8 英寸晶圆制造产能约为 133 万片/年，具备为客户提供全方位的规模化制造服务能力；
4、SIC 领域积极布局：在 2020 年 7 月 4 日，公司进行了 SIC 产品的发布会，发布了全系列的 1200V/650V 的 SIC 二极管产品，公司有望通过 IDM 模式在 SIC 材料的各个功率半导体产品领域深耕并持续受益于产品升级和国产替代。
36 捷捷微电
1、公司是国内晶闸管龙头，持续布局 MOSFET 和 IGBT 等高端功率半导体器件。 按照公司年报口径，2019 年功率分立器件收入占比 75%，功率半导体芯片收入占比 23%； 公司的功率分立器件，50%左右业务是晶闸管 （用于电能变换与控制），还有部分二极管业务，其余是防护器件系列（主要作用是防浪涌冲击、防静电的电子产品内部，保护内部昂贵的电子电路）；
2、公司于 2020 年 2 月 27 日与中芯集成电路制造(绍兴)有限公司（简称“SMEC”）签订了《功率器件战略合作协议》，在 MOSFET、IGBT 等相关高端功率器件的研发和生产领域展开深度合作；公告披露，捷捷微电方保证把SMEC 作为战略合作伙伴，最大化的填充 SMEC 产能，2020 年度总投片不低于80000 片，月度投片不低于 7000 片/月。
3、公司长期深耕晶闸管和二极管等分立器件，这些客户和 MOSFET 和IGBT 等相关高端功率器件有重叠， 公司从晶闸管领域切入到 MOS 后，在这两个产品大类上也将积极应用第三代半导体 SIC，为后续提升自身器件性能和产品竞争力做好准备。
37 扬杰 科技
1、公司是产品线较广的功率分立器件公司 。公司产品主要包括功率二极管、整流桥、大功率模块、小信号二三极管，MOSFET，也有极少部分的 IGBT 产品。按照公司年报口径，2019 年功率分立器件收入占比 80%，功率半导体芯片收入占比 138%，半导体硅片业务占比 455%。
2、公司第三代半导体 SIC 器件 目前收入较少。公司积极布局高端功率半导体，筹备建立无锡研发中心，和中芯国际（绍兴）签订保障供货协议 ，持续扩充 8 寸 MOS 产品专项设计研发团队，已形成批量销售的 Trench MOSFET 和SGT MOS 系列产品。
3、SIC 产品目前占比小： 公司 2020 年 9 月公告，目前主营产品仍以硅基功率半导体产品为主， 第三代半导体产品的销售收入占比较小， 2020 年 1-6 月，公司碳化硅产品的销售收入为 1928 万元。
4、我们认为同捷捷微电一样，公司是中低端功率器件利基市场龙头，虽然目前 SIC 产品的占比较小，主要是由于国内产业链成熟度的拐点刚刚到来；未来公司将积极布局各种基于 SIC 材料的功率器件，从而提高其产品性能并实现市场占有率持续稳步提升，打开业务天花板和想象空间。
38 露笑 科技
1、传统主业是 电磁线产品： 公司是专业的节能电机、电磁线、涡轮增压器、蓝宝长晶片研发、生产、销售于一体的企业，公司主要产品有各类铜、铝芯电磁线、超微细电磁线、小家电节能电机、无刷电机、数控电机、涡轮增压器和蓝宝石长晶设备等产品。 公司是国内主要电磁线产品供应商之一，也是国内最大的铝芯电磁线和超微细电磁线产品生产基地之一。
2、SIC 长晶设备已经开始对外供货： 露笑 科技 基于蓝宝石技术储备，经过多年研发已快速突破碳化硅工艺壁垒，在蓝宝石基础上布局碳化硅长晶炉和晶片生产。碳化硅跟蓝宝石从设备、工艺到衬底加工有较强的共同性和技术基础，例如精确的温场控制、精确的压力控制、精确的籽晶晶向生长以及基片加工等壁垒。 公司在多年蓝宝石生产技术支持下成功研发出碳化硅自主可控长晶设备，并在 2019 年开始对外供货 SIC 长晶设备。
4、公司布局 SIC 的人才优势： 公司引进具有二十多年碳化硅行业从业经验的技术团队，开展碳化硅衬底及外延技术研究，加码布局碳化硅产业。2020 年 4月，公司发布非公开募集资金公告，拟募集资金总额不超过 10 亿元，用于新建碳化硅衬底片产业化项目、碳化硅研发中心项目和偿还银行贷款。 随着公司碳化硅产品研发并量产，公司有望取得一定的市场份额。
5、与合肥合作打造第三代半导体 SIC 产业园： 2020 年 8 月 8 日与合肥市长丰县人民政府在合肥市政府签署《合肥市长丰县与露笑 科技 股份有限公司共同投资建设第三代功率半导体（碳化硅）产业园的战略合作框架协议》。包括但不限于碳化硅等第三代半导体的研发及产业化项目，包括碳化硅晶体生长、衬底制作、外延生长等的研发生产，项目投资总规模预计 100 亿元。
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（报告观点属于原作者，仅供参考。作者：华安证券，尹沿技）
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随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为111亿美元和731亿美元;
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到2562亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为1553亿美元和314亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙;第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙;二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>23eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗;
2耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化;
3高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器;在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域;氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用;外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能;设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路;封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率;其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化;第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本;第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系;最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为9415亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到62342亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从786亿元增长至1521亿元,年复合增速为2461%,半导体器件市场规模从8629亿元增长至60821亿元,年复合增速为9173%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等;
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等;
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域;在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 ;可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验;产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
第三代半导体主要是氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石为代表的材料，这类半导体更多应用于未来5G时代的发展。
氮化镓往往应用于小功率器件，比如现有的快充充电器。而碳化硅也更多应用于高电压大功率器件当中，比如汽车电子以及高压线路等等。
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