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中國第三代半導體面臨四大問題

時間:2020/10/21 23:01:03瀏覽次數:1599

毋庸置疑,第三代半導體最近真的很火。相關股市板塊逆勢而上,26只第三代半導體概念股半個月的總市值就漲了100億元以上,股價漲幅最高者超100%。從投資來看,進入2020年以來,已有8家半導體企業共計預投資大約430多億,第三代半導體項目在國內已處于火熱階段。

而真正的大火,來自于媒體消息,中國正在規劃將大力支持發展第三代半導體產業寫入“十四五”規劃之中,計劃在2021到2025年的五年之內,在教育、科研、開發、融資、應用等等各個方面,大力支持發展第三代半導體產業,以期實現產業獨立自主,甚至彎道超車。政策,是最大的商機。在政策的支持下,第三代半導體真的會持續會火起來嗎?

不過,從產業的角度來看,中國第三代半導體真正要火起來并不容易,面臨四大問題。

第一大問題:技術差距明顯

早在1987年,科銳公司(Cree)成立,專門從事SiC半導體的研究。最初,針對禁帶半導體的研究與開發主要是為了滿足軍事國防方面的需求。隨后,美國國防部和能源部先后啟動了“寬禁帶半導體技術計劃”和“氮化物電子下一代技術計劃”,積極推動SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵)寬禁帶半導體技術的發展。緊跟美國之后,歐洲和日本也相繼開展了相關研究,經過多年發展,在寬禁帶半導體材料、器件及系統的研究上取得了豐碩的成果,實現了在軍事國防領域的廣泛應用。

隨著在軍事領域的應用逐步成熟,第三代半導體應用開始逐步拓展到民用領域,近年來,大量的以新技術為基礎的新產品、新應用正在迅速普及,所帶來的電力電子設備的能源消耗量也快速增長。半導體在節能領域中應用最多就是功率器件,寬禁帶半導體的帶隙明顯大于硅半導體,從而可有效減小電子跨越的鴻溝,減少能源損耗。但真正讓第三代半導體應用得到極大關注的還是特斯拉采用碳化硅功率器件,把這個產業向前快速推進。明星企業的影響力是市場最大的推手,正如小米科技雷軍發布GaN手機充電器,在國內把GaN推向了高潮。第三代半導體的生產步驟包括單晶生長、外延層生長以及器件/芯片制造,分別對應襯底、外延和器件/芯片。總體來說,第三代半導體產業目前主要處于國外企業壟斷的局面。

襯底方面:

1.碳化硅:目前國際企業正在從 4 英寸襯底向 6 英寸過渡,在研的有 8 英寸硅基襯底,而國內仍然以 4 英寸為主。國外核心企業有美國Cree、 DowCorning、德國 SiCrystal、美國 II-VI、日本昭和電工等,他們占據主要產能。Cree占據40%市場,其次是美國 II-VI,日本昭和電工,三者合計占據75%以上的市場。國內則以天科合達、山東天岳、同光晶體等公司為主,他們主要供應 3 ~ 4 英寸的單晶襯底。

2.氮化鎵:全球目前商用化合物晶圓尺寸最大為6英寸,比如臺灣穩懋等國際主流廠家都采用6吋工藝,其中GaAs襯底主流尺寸為6英寸,8英寸在開發中;GaN襯底以4/6英寸為主。這個市場的主導者是日本住友電工,市場占有率約90%。國內廠家主要是2~4英寸。

外延方面:

1.碳化硅:外延片企業主要以美國的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、三菱電機,德國的Infineon 等為主。美國公司就占據全球70~80%的份額。國內瀚天天成、東莞天域已能提供4英寸的碳化硅外延片。

2.氮化鎵:外延片目前主要是日本的NTT-AT、法國Soitec Belgium(前比利時 EpiGaN) 、英國的IQE 、臺灣嘉晶電子等在供應。2012年3月成立的蘇州晶湛半導體,國內最早最大的氮化鎵外延片提供商,但市占率依舊很低。

器件/芯片方面:

1.碳化硅:國際上600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經實現產業化,主流產品耐壓水平在1200V以下,主流企業為Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等。國內則主要有泰科天潤、深圳基本半導體、中電科55所、上海瞻芯電子等,相比國外還屬于起步階段。

2.氮化鎵:分為射頻器件和電力電子器件。設計公司主要有美國的EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德國的Dialog等公司,國內有被中資收購的安譜隆(Ampleon)等。IDM企業則包括住友電工和Cree,他們的市場占有率均超過30%,其他還有 Qorvo 和 MACOM。國內IDM企業蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華等加起來市場占有率不超過5%。

晶圓代工的企業有美國環宇通訊半導體(GCS)、穩懋半導體、日本富士通、Cree、臺灣嘉晶電子、臺積電、歐洲聯合微波半導體公司(UMS)等為主導,中國大陸的三安集成和海威華芯也已經批量出貨。

我國第三代半導體起步晚,2013年的“863計劃”第一次明確將第三代半導體材料及其應用列為重要內容。與國外相比,國內第三代半導體技術差距明顯,穩定性和可靠性是短板。

第二大問題:市場應用有限

很多文章介紹第三代半導體氮化鎵和碳化硅,都是從第一代硅,第二代砷化鎵開始介紹。給人的感覺,一代總比一代強。

全球半導體年產值近5000億美金,90%以上來自第一代半導體。根據Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導體報告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半導體的銷售收入預計將從2018年的5.71億美元增至8.54億美元。未來十年的年均兩位數增長率,到2029年將超過50億美元。根據Yole預測,到2024年SiC功率半導體市場規模將增長至20億美元,其中,汽車市場占SiC功率半導體市場比重到2024年預計將達50%。

從上面的數據可以看出,在第一代半導體面前,第三代半導體的產值非常的小。國外發展第三代半導體不是因為生意有多么的大,是因為國防和科技信息技術的發展需要用到第三代半導體。同時,這是一個增量市場,也是企業可以尋求的增長空間。從增量來源來看,5G、光伏智能電網、新能源汽車等是主要的增量來源。根據第3代半導體的發展情況,其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他領域,每個領域產業成熟度各不相同。

1、半導體照明

在4個應用領域中,半導體照明行業發展最為迅速,已形成百億美元的成熟產業規模。藍寶石基GaN是最常用的,也是最為成熟的材料體系,大部分LED照明都是通過這種材料體系制造的。SiC基GaN制造成本較高,但由于散熱較好,非常適合制造低能耗、大功率照明器件。

2、電力電子器件

在電力電子領域,目前市場規模僅為幾億美元。其應用主要集中在軍事尖端裝備領域,正逐步向民用領域拓展。微波器件方面,GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。

3.激光器和探測器

GaN激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍,實現藍、綠、紫外激光器和紫外探測的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盤,其數據存儲盤空間比藍光光盤高出20倍。除此之外,紫色激光器還可用于醫療消毒、熒光激勵光源等應用,總計市場容量為10億美元。

4、其他應用在前沿研究領域

第三代半導體可用于太陽能電池、生物傳感器、水制氫媒介、及其他一些新興應用。

在國內,得到高度關注的第三代半導體應用有:氮化鎵充電器電源IC、氮化鎵基站PA、氮化鎵5G手機PA、氮化鎵IGBT、碳化硅SBD、碳化硅MOSFET。

第三大問題:成本是最大瓶頸

第三代半導體要擴大應用市場,成本是最大瓶頸。

從增量市場來看,5G、光伏智能電網、新能源汽車這些主要市場對半導體技術要求很高,屬于前沿技術。中國第三代半導體從材料,到設計,再到晶圓制造都是起步階段。除了國內個別企業有成熟的第三代半導體設計能力,產品可以批量出貨,其他還是小批量階段。國內第三代半導體要主導5G、光伏智能電網、新能源汽車這三大領域,還需要很長時間去沉淀和成長。如果一定要加個具體時間,那也是5年以后的事情。

前沿新市場的需求并不大,幾十億美金的市場相對于整個全球半導體來講還不到百分之一。國內企業把機會瞄準傳統消費類電子應用,比如:充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET。也有國內企業投入研發5G基站GaN PA,這是一塊20億美金的潛力市場。接下來分析第三代半導體的成本瓶頸。以碳化硅來說,技術難度在于3點:

1.在長晶的源頭晶種純度要求相當高2.長晶的時間相當長,碳化硅晶棒約需要7天。一般硅材料長晶平均約3-4天即可長成一根晶棒。3.長一根碳化硅的長晶棒只能長出2公分,量產的成本高很多。而一般的硅晶棒約有200公分的長度。

據說,第三代半導體材料,這樣一片厚度只有0.5毫米的“碳化硅”6英寸晶片,市場售價高達2000美金。而12吋硅晶圓的平均單價在108~112美元價位,再加上制造成本和良率,第三代半導體比第一代半導體硅晶成本要貴很多倍。

氮化鎵也是如此,氮化鎵在傳統消費電子領域要取代砷化鎵和硅晶,成本是最大的挑戰。

新興市場,半導體不看價格,但沒有量,技術要求高。工業電子市場,尤其是汽車電子市場,半導體單價高,需求量不大,但對技術和品質的要求很高,國內的半導體企業在時間上和技術難度上能不能扛得住是個很大的問題,短平快的投資環境,不會給企業那么多時間,沒有時間,技術如何積累?其實,最適合國內半導體企業的是傳統消費類電子行業。

充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET才是國內第三代半導體企業最適合的領域。要用第三代半導體來研發生產這些產品,從而取代硅基,成本是最大瓶頸。

第四大問題:產業人才短缺

第三代半導體最大的瓶頸是成本,中國半導體最大的瓶頸是人才。錢能解決很多問題,但不能解決眼下半導體產業人才短缺的問題,中國第三代半導體產業人才短缺更為明顯。在中國的大地上,芯片依舊很火,各行各業都來做芯片。搶人,成為時下最大的風景。《中芯國際為什么留不住人才》一度成為熱搜,甚至把所有的責備指向中芯國際。全國各地大建晶圓廠,產業人才哪里找?當然是龍頭企業中芯國際。不是薪水低留不住人才,而是無論你薪水多高,人家都會更高薪水挖你人才。因為錢不是自己掙出來的,是投資者和政策支持的。

中國大陸企業做第三代半導體也就幾年時間,最初的人才來自海外。產業的發展需要大量人才,前期的人才培養遠遠跟不上產業的發展和擴張。從襯底材料到外延,再到晶圓制造,哪個環節都缺少人才。氮化鎵和碳化硅工藝的半導體設計公司也是最近幾年才開始,之前也沒有這方面的設計研發人才。第三代半導體也是化合物半導體,不能完全依靠EDA軟件,很大程度取決于經驗和對工藝的熟悉及理解。化合物半導體產業人才的培養時間比第一代半導體人才的培養時間更長,沒有個3-5年根本就成長不起來。

一家半導體工廠的負責人跟筆者講,當地產業基金鼓勵企業做第三代半導體,在資金和政策上給予支持,最大的問題是不知道從哪里找人,找一個人沒用,得找一個團隊。就算找到了,可能也只有一點點經驗,需要邊做邊學,要花很長的時間去積累。這一點,很有感觸。例如,三伍微基于第二代半導體砷化鎵工藝做射頻前端芯片設計,同屬于化合物半導體。有一次,我問公司一個做了5年基于砷化鎵工藝設計WIFI FEM的研發,“公司怎么幫助你,才能成為國內WIFI FEM領域最頂級的人才?” 他延遲了幾秒鐘回答我:時間。在設計的過程中,研發會摸索出了一些經驗和思路,但需要時間去試驗和總結。化合物半導體對經驗很依賴,技術的解決和突破必須基于兩點:時間累積和Know-how。

廠房可以一兩年建好,機器設備可以一兩年引進安裝好,但產業人才不是一兩年可以培養起來的。沒有產業人才,短期內第三代半導體在國內遍地開花火起來是不可能的。



碳化硅(SiC)屬于第三代半導體材料,具有1X1共價鍵的硅和碳化合物,其莫氏硬度為13,僅次于鉆石(15)和碳化硼(14)。據說,SiC在天然環境下非常罕見,最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中,發現了少量這種物質,所以它又被稱為“經歷46億年時光之旅的半導體材料”。SiC作為半導體材料具有優異的性能,尤其是用于功率轉換和控制的功率元器件。與傳統硅器件相比可以實現低導通電阻、高速開關和耐高溫高壓工作,因此在電源、汽車、鐵路、工業設備和家用消費電子設備中倍受歡迎。


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